Fis I Laboratorio 05 Luz Ley de La Distancia Ref

UTEC Laboratorio de Fsica I

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PRCTICA DE LABORATORIO N 05

LUZ. LEY DE LA DISTANCIA, REFLEXION, REFRACCION, ESPEJOS Y LENTES.

1. OBJETIVO

1) Comprobar experimentalmente que la intensidad de una onda luminosa disminuye con el cuadrado de la distancia a la fuente luminosa.

2) Estudiar las imgenes formadas en un espejo plano. 3) Deducir las leyes de la reflexin de la luz. 4) Deducir las leyes de la reflexin y refraccin de la luz. 5) Calcular la magnificacin de lentes 6) Ser capaz de configurar e implementar equipos para toma de datos

experimentales utilizando como herramienta el software Logger Pro.

2. MATERIALES - Computadora personal con programa Logger Pro instalado - Interfase Vernier - Sensor de luz - Fuentes luminosas - Espejos y lentes - Regla - Alfileres - Papel polar - Tablero de corcho - Agua.

3. FUNDAMENTO TERICO

Intensidad luminosa Cuando una fuente puntual emite luz con una potencia (P) constante y

el medio de propagacin es isotrpico y no absorbente de energa, los frentes de onda son esfricos. De este modo, la energa por unidad de tiempo (P) se distribuye uniformemente sobre el rea de una superficie esfrica de radio (r). Por ello, la intensidad de la onda (potencia media por unidad de rea) resulta ser:

24PIr

=

Es decir la intensidad de la luz a una distancia dada r, ser proporcional

al cuadrado de su radio r, la intensidad variar como 1/r2. Los campos elctricos y gravitatorios tambin son funciones que responde a la ley de la inversa al cuadrado.

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Reflexin Al cambio de direccin que experimenta la luz al llegar a una superficie

pulida se le llama reflexin. En casi cada momento de la vida diaria se encuentran experiencias que

son consecuencias de la reflexin de la luz. usted est leyendo estas lneas gracias a que la luz que se refleja en la superficie, se observa en un espejo por la luz reflejada sobre l.

El principio o la ley de la reflexin de la luz, se aplica en las

experiencias que se acaban de describir y en muchos otros. La ley de la reflexin se puede ver desde otro punto de vista diferente que viene del Principio de Fermat que establece que De todos los posibles caminos puede tomar la luz para desplazarse, toma siempre aquel que lo lleva a recorrer en el tiempo ms corto o dicho de otro modo La trayectoria real entre dos puntos tomados por su haz de luz es aquella que es recorrida en el tiempo mnimo.

La reflexin especular se produce cuando la luz se refleja sobre una

superficie pulida como un espejo, mientras que cuando la reflexin se produce sobre una superficie rugosa se denomina reflex in difusa. En el caso particular de la reflexin especular (generalmente cuando se habla de reflexin se hace referencia a este tipo) se cumple lo que se denomina la ley de reflexin:

i = i

Que nos indica que el ngulo de incidencia es igual al ngulo de reflexin.

El ndice de refraccin de un medio se define como:

n = velocidad de la luz en el vaco = c

velocidad de la luz en un medio v

Ya que se sabe que la velocidad de la luz (v) cambia de acuerdo al medio en que atraviese, as tambin como la longitud de onda () mientras que la frecuencia (f) permanece constante. Recordemos que la velocidad de una onda se relaciona con la frecuencia (f) y la longitud de onda () de acuerdo con la siguiente relacin:

v = f

Refraccin

La refraccin de la luz se produce cuando un rayo de luz que viaja en

un medio transparente encuentra una frontera que lleva a otro medio transparente, parte del rayo ser refleja y parte entra al segundo medio. El rayo que entra al segundo medio se dice que se refracta. Estos tres rayos se encuentran en el mismo plano. El haz incidente y el refractado cumplen la


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siguiente regla que es conocida como la Ley de Snell (conocida en Francia como Ley de Descartes):

rrii SennSenn =

i r

Haz incidente Haz r

efleja

do

Reflexin especular

i

r

Haz incidenteHaz refractadoRefraccin en un

medio transparente

n1

n2

Figura 3.1.1. Refraccin de la luz.

Lentes delgadas

Una lente es un sistema refringente que consiste en dos o ms superficies de separacin, de las cuales una por lo menos es curva. Una lente simple, consiste de un elemento solamente, lo cual a su vez significa que tiene solamente dos superficies de separacin refringente. Una lente compuesta se forma de dos o ms lentes simples. Una lente delgada, compuesta o simple, es aquella en donde el espesor de los elementos no desempea un papel importante y como tal es despreciable. La figura ilustra la nomenclatura asociada con las lentes esfricas simples.

so

P

si

R2 R1

C2 C1V1 V2

nm

S

nl

Figura 3.1.2. Lente esfrica simple.

Se puede trazar la trayectoria que sigue la luz al pasar a travs de ambas superficies de separacin, cuando el espesor ( 21VV ) es realmente despreciable y adems se trata solamente de rayos paraxiales, se puede demostrar que

=+

210

11)1(11RR

nss lmi

En donde, como de costumbre, nlm = nl/nm. Esta es la llamada ecuacin de las lentes delgadas, que se conoce tambin como la frmula del fabricante de lentes. Obsrvese que si s0 = , 1/fi se igual a la cantidad en el segundo


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miembro y lo mismo es cierto para 1/f0 cuando si = . En otras palabras, f0 = fi = f, donde

=

21

11)1(1RR

nf lm

Entonces la ecuacin de las lentes puede replantearse en la forma que se conoce como frmula de las lentes de Gauss:

fss i111

0

=+

Para calcular la magnificacin o aumento usamos la ecuacin:

=

=

Una onda esfrica que sale del punto S como lo muestra la figura 3.3.1 incide sobre una lente positiva, esto, es una que es ms gruesa en su centro que en sus bordes. La zona central del frente de onda es rebajada ms que sus regiones exteriores y el frente en s mismo queda invertido, convergiendo de aqu en adelante hacia el punto P. En forma ms que razonable, un elemento de esta clase se llama lente convergente y la luz se dobla hacia el eje central debido a sta. Como se muestra en la figura 3.3.2, la descripcin anterior supone que el ndice del medio, nm es menor que nl. Sin embargo, si nm > nl una lente convergente seria ms delgada en su centro. Hablando en trminos generales (nm < nl), una lente que es ms delgada en su centro se conoce por diversas denominaciones: lente negativa, cncava o divergente. La luz que pasa a travs de la lente tiende a doblarse hacia fuera del eje central, por lo menos ms de lo que estaba cuando entraba. CONVERGENTE DIVERGENTE

nl > n m

nl > n m

nl < n m nl < n m

nl > n m

nl > n mF0

Fi

Fi

F0

Fi

Fi

Figura 3.3.2. Lentes convergentes y divergentes.


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4. PROCEDIMIENTO 4.1. Variacin de la intensidad de la luz.

Ingrese al programa Logger Pro, haga clic sobre el icono experimento

y seguidamente reconozca el sensor de luz previamente insertado a la interfase Vernier Lab Quest.

Seguidamente procedemos a configurar la forma de registrar los datos

Para lo cual hacemos doble clic sobre el icono TOMA DE DATOS y luego seleccionamos BASADO EN ENTRADA y completamos el formulario segn la grfica 4.1.1.

Fig. 4.1.1. Configuracin del sensor. Cuando hacemos este procedimiento inmediatamente la grfica cambiara a

intensidad luminosa vs distancia. Seleccione el sensor en el rango (0 600 lux) lo reconocer pues sobre el

sensor hay un rotulo indicador. Arme el montaje de la figura 4.1.2. La longitud inicial debe ser de 10 cm.

Obsrvese que la linterna debe estar perpendicular a la regla. Cuide adems que la luz del ambiente no incida sobre su sensor.


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Sensor luminoso

LinternaRegla

Fig. 4.1.2. Primer montaje.

Al empezar la grabacin de los datos haremos clic en CONSERVAR y

aparecer una ventana como podemos apreciar en la grfica 4.1.3 y deber poner el valor de la longitud y as en cada valor que selecciones, el sistema grabar solo en el momento que se acepte el valor, es decir inmediatamente despus de hacer clic en aceptar. Para introducir otro valor hay que hacer nuevamente clic en CONSERVAR.

Para finalizar la grabacin se seleccionar el icono de color rojo PARAR que

se encuentra al costado del icono CONSERVAR. Grabe con un paso de 5 cm desde los 10 cm hasta los 40 cm.

Fig. 4.1.3. Registro de datos. Posteriormente cuando presiones parar ver los puntos obtenidos, adecue la

escala para observar la grfica correctamente.


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4.1.1. Con los datos obtenidos determine la dependencia de la intensidad con la distancia. Cul ajuste escogera? Por qu?

4.1.2. Anote los valores resultantes del ajuste que escogi.

4.1.3. Qu es una fuente de luz isotrpica?

4.2. Reflexin de la luz usando la cubeta.

Por ningn motivo permita que el haz de luz incida sobre la vista, pues podra causar un dao irreparable. No intente ver directamente el haz de luz lser.

Coloque el espejo en posicin vertical, luego cntrelo en el papel polar, alineando la superficie externa del espejo con la lnea correspondiente a 0.

Coloque un lnea referencia en el origen (punto de convergencia de todas las lneas) del papel polar.

Alinee el lser a lo largo de una de las lneas para uno de los ngulos sugeridos en la tabla 4.1.1, active el lser y dirjalo hacia la referencia. Observe y mida el ngulo que forma el haz reflectado y antelo en la tabla 4.1.1.

Repita los dos ltimos procedimientos para todos los ngulos.

i r

Haz incidente Haz r

efleja

do

Espejo

Laser

Ray Box

Figura 4.2.4. Esquema experimental.


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Tabla 4.2.1

i r Er (%) 10 20 30 40 50 60 70 80

4.2.1 Cul es la relacin entre el ngulo de incidencia y el de reflexin para

un espejo plano?

4.2.2 Cules son los valores de los ngulos de incidencia y reflexin respectivamente?

4.2.3 Algunos instrumentos de medicin tiene espejos planos en la escala colocada detrs del cursor. El observador debe tomar la lectura cuando el ndice esta exactamente sobrepuesta a su imagen en el espejo Por qu con este procedimiento se obtiene lecturas ms precisas?

4.2.4. Explique debido a que factores en nuestra experiencia el ngulo de incidencia no es exactamente igual al ngulo de reflexin (tabla 4.1.1).

4.2.5. Por qu razn se le agrego detergente al agua?


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4.3. Refraccin de la luz usando la cubeta.

Coloque el recipiente semicircular de plstico lleno con agua, alinee la superficie plana con la lnea correspondiente a 0, haga coincidir el centro de esta cara plana con el origen del papel polar.

Alinee el puntero lser a lo largo de una de las lneas (tal como se indica en la figura 4.2.1) para uno de los ngulos sugeridos en la tabla 4.2.1, active el puntero y dirjalo hacia el origen. Se puede observar la traza del haz de luz refractado en el papel dando una ligera inclinacin al lser, observe y mida el ngulo que forma el haz refractado y antelo en la tabla 4.3.1.

Repita los dos ltimos procedimientos para todos los ngulos indicados en la tabla 4.3.1.

i

r

Haz i

ncide

nte

Haz r

efra

ctado

Lase

r Ra

y Bo

x


Tabla 4.3.1. (Aire agua)

i () 0 10 20 30 40 50 60 70 80

r ()

Sen i

Sen r

nagua

Repita los tres ltimos procedimientos observando la figura 4.3.2 y complete la tabla 4.3.2. Encuentre el ngulo crtico (a partir del cual se produce el fenmeno reflexin total interna, t = 90) Observacin: Considere que naire 1, y que la frecuencia no varia al pasar de un medio a otro. El subndice ref en la tabla 4.3.1 hace referencia al medio refractante.


50

i

r

Haz r

efra

ctad

o

Lase

r Ra

y Bo

x

Haz i

ncide

nte


Tabla 4.3.2. (Agua aire)

i () 0 10 20 30 40

r ()

90

Sen i

Sen r

nagua

4.3.1 Con los datos de las tablas 4.3.1 y 4.3.2 construya la grfica del ngulo de refraccin en funcin del ngulo de incidencia, es decir, r = r ( i)

4.3.2 Con los datos de las tablas 4.3.1 y 4.3.2 grafique (Sen i/ Sen r) en funcin del ngulo de incidencia.

4.3.3 Calcule el ndice de refraccin promedio para el agua y su respectivo error absoluto, para cada una de las tablas 4.3.1 y 4.3.2.

4.3.4 Cite 2 ejemplos de aplicacin del fenmeno de reflexin total interna y 1 ejemplo de la aparicin del fenmeno en la naturaleza.

4.4. Lentes delgadas y espejos.

Tomas las diferentes lentes que te proporcione el profesor y con ayuda del lser traza 5 rayos como en la figura 4.4.1 y halla la distancia focal para cada caso trazando los haces lser transmitidos.

Haz lo propio con los espejos y sus haces reflejados.


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Laser Ray Box

Laser Ray Box

Figura 4.4.1. Configuraciones para las lentes.

4.4.1 Determina tericamente la distancia focal de cada lente. A qu atribuyes el error?

4.4.2 En los casos en los cuales se deja un espacio hueco para formar las lentes. Es normal el comportamiento del rayo transmitido? Por qu?

4.5. Calcular la magnificacin usando lentes convergentes.

Haz la configuracin de la grfica.

Figura 4.5.1. Configuracin experimental.

Mueve los tres componentes a diferentes valores hasta que obtengas una imagen ntida del diafragma en la pantalla como en la figura 4.5.2.

Figura 4.5.2. Imagen resultante


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Completa la tabla 4.5.1. con los valores encontrados. si so yi yo =

=

1 2 3

4.5.1. Hay alguna diferencia de usar alguna de las ecuaciones?

4.5.2. Qu aplicacin tecnolgica puede este hecho? Menciona 2.

5. OBSERVACIONES

5.1. _____________________________________________________________

_____________________________________________________________

5.2. _____________________________________________________________

_____________________________________________________________

5.3. _____________________________________________________________

_____________________________________________________________

6. CONCLUSIONES

6.1 _____________________________________________________________

_____________________________________________________________

6.2 _____________________________________________________________

_____________________________________________________________

6.3 _____________________________________________________________

_____________________________________________________________

Documents

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