08 Fis I Laboratorio 05 Luz Ley de La Distancia Ref 2015-II (1)

8/18/2019 08 Fis I Laboratorio 05 Luz Ley de La Distancia Ref 2015-II (1)

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UTEC Laboratorio de Física I

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PRÁCTICA DE LABORATORIO Nº 05

LUZ. LEY DE LA DISTANCIA, REFLEXION, REFRACCION, ESPEJOS YLENTES.

1.

OBJETIVO

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

2) Estudiar las imágenes formadas en un espejo plano.3) Deducir las leyes de la reflexión de la luz.4)

Deducir las leyes de la reflexión y refracción de la luz.5) Calcular la magnificación de lentes6) 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-

Papel polar-

Agua.

3.

FUNDAMENTO TEÓRICO

Intensidad luminosa

Cuando una fuente puntual emite luz con una potencia (P) constante yel medio de propagación es isotrópico y no absorbente de energía, los frentesde onda son esféricos. De este modo, la energía por unidad de tiempo (P) sedistribuye uniformemente sobre el área de una superficie esférica de radio (r) .Por ello, la intensidad de la onda (potencia media por unidad de área) resultaser:

24

P I

r

Es decir la intensidad de la luz a una distancia dada r, será proporcionalal cuadrado de su radio r, la intensidad variará como 1/r2.

Los campos eléctricos y gravitatorios también son funciones que responde ala ley de la inversa al cuadrado.


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Laboratorio de Física I UTEC

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Reflexión

Al cambio de dirección que experimenta la luz al llegar a una superficiepulida se le llama reflexión.

En casi cada momento de la vida diaria se encuentran experiencias queson consecuencias de la reflexión de la luz. usted está leyendo estas líneas

gracias a que la luz que se refleja en la superficie, se observa en un espejopor la luz reflejada sobre él.

El principio o la ley de la reflexión de la luz, se aplica en lasexperiencias que se acaban de describir y en muchos otros. La ley de lareflexión se puede ver desde otro punto de vista diferente que viene delPrincipio de Fermat que establece que “De todos los posibles caminospuede tomar la luz para desplazarse, toma siempre aquel que lo lleva arecorrer en el tiempo más corto” o dicho de otro modo “La trayectoria realentre dos puntos tomados por su haz de luz es aquella que es recorrida enel tiempo mínimo”.

La reflexión especular se produce cuando la luz se refleja sobre unasuperficie pulida como un espejo, mientras que cuando la reflexión seproduce sobre una superficie rugosa se denomina reflexión difusa . En elcaso particular de la reflexión especular (generalmente cuando se habla dereflexión se hace referencia a este tipo) se cumple lo que se denomina laley de reflexión:

i = i

Que nos indica que el ángulo de incidencia es igual al ángulo dereflexión.

El índice de refracción de un medio se define como:

n = velocidad de la luz en el vacío = c

velocidad de la luz en un medio v

Ya que se sabe que la velocidad de la luz (v) cambia de acuerdo al medioen que atraviese, así también como la longitud de onda () mientras que lafrecuencia (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 relación:

v = f

Refracción

La refracción de la luz se produce cuando un rayo de luz que viaja enun medio transparente encuentra una frontera que lleva a otro mediotransparente, parte del rayo ser refleja y parte entra al segundo medio. El rayoque entra al segundo medio se dice que se refracta. Estos tres rayos seencuentran 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 Franciacomo Ley de Descartes ):

r r ii SennSenn

Figura 3.1.1. Refracción de la luz.

Lentes delgadas

Una lente es un sistema refringente que consiste en dos o más superficies deseparación, de las cuales una por lo menos es curva. Una lente simple ,consiste de un elemento solamente, lo cual a su vez significa que tienesolamente dos superficies de separación refringente. Una lente compuesta seforma de dos o más lentes simples. Una lente delgada , compuesta o simple, esaquella en donde el espesor de los elementos no desempeña un papelimportante y como tal es despreciable. La figura ilustra la nomenclaturaasociada con las lentes esféricas simples.

Figura 3.1.2. Lente esférica simple.

Se puede trazar la trayectoria que sigue la luz al pasar a través de ambas

superficies de separación, cuando el espesor ( 21V V ) es realmente despreciable

y además se trata solamente de rayos paraxiales, se puede demostrar que

210

11)1(

11

R Rn

ss lm

i

En donde, como de costumbre, n lm = nl /nm. Esta es la llamada ecuación de laslentes delgadas , que se conoce también como la fórmula del fabricante delentes. Obsérvese que si s0 = , 1/f i se igual a la cantidad en el segundo


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miembro y lo mismo es cierto para 1/f 0 cuando si = . En otras palabras, f 0 = f i = f, donde

21

11)1(

1

R Rn

f lm

Entonces la ecuación de las lentes puede replantearse en la forma que seconoce como fórmula de las lentes de Gauss :

f ss i

111

0

Para calcular la magnificación o aumento usamos la ecuación:

Una onda esférica que sale del punto S como lo muestra la figura 3.3.1 incide

sobre una lente positiva, esto, es una que es más gruesa en su centro que ensus bordes. La zona central del frente de onda es rebajada más que susregiones exteriores y el frente en sí mismo queda invertido, convergiendo deaquí en adelante hacia el punto P. En forma más que razonable, un elementode esta clase se llama lente convergente y la luz se dobla hacia el eje centraldebido a ésta.

Como se muestra en la figura 3.3.2, la descripción anterior supone que el índicedel medio, nm es menor que nl. Sin embargo, si nm > nl una lente convergenteseria más delgada en su centro. Hablando en términos generales (nm < nl), unalente que es más delgada en su centro se conoce por diversas denominaciones:lente negativa, cóncava o divergente. La luz que pasa a través de la lente

tiende a doblarse hacia fuera del eje central, por lo menos más de lo queestaba cuando entraba.

CONVERGENTE DIVERGENTE

Figura 3.3.2. Lentes convergentes y divergentes.


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4.

PROCEDIMIENTO

4.1. Variación 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 yluego seleccionamos BASADO EN ENTRADA y completamos el formulario segúnla gráfica 4.1.1.

Fig. 4.1.1. Configuración del sensor.

Cuando hacemos este procedimiento inmediatamente la gráfica cambiara aintensidad luminosa vs distancia.

Seleccione el sensor en el rango (0 – 600 lux) lo reconocerá pues sobre elsensor hay un rotulo indicador.

Arme el montaje de la figura 4.1.2. La longitud inicial debe ser de 10 cm.Obsérvese que la linterna debe estar perpendicular a la regla. Cuide ademásque la luz del ambiente no incida sobre su sensor.


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Fig. 4.1.2. Primer montaje.

Al empezar la grabación de los datos haremos clic en CONSERVAR yaparecerá una ventana como podemos apreciar en la gráfica 4.1.3 y deberá

poner el valor de la longitud y así en cada valor que selecciones, el sistemagrabará solo en el momento que se acepte el valor, es decir inmediatamentedespués de hacer clic en aceptar. Para introducir otro valor hay que hacernuevamente clic en CONSERVAR .

Para finalizar la grabación se seleccionará el icono de color rojo PARAR quese encuentra al costado del icono CONSERVAR . Grabe con un paso de 5 cmdesde los 10 cm hasta los 40 cm.

Fig. 4.1.3. Registro de datos.

Posteriormente cuando presiones parar ver los puntos obtenidos, adecue laescala para observar la gráfica correctamente.


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4.1.1. Con los datos obtenidos determine la dependencia de la intensidad conla distancia. ¿Cuál ajuste escogería? ¿Por qué?

4.1.2. Anote los valores resultantes del ajuste que escogió.

4.1.3. ¿Qué es una fuente de luz isotrópica?

4.2. Reflexión de la luz usando la cubeta.

Por ningún motivo permita que el haz de luz incida sobre la vista,pues podría causar un daño irreparable. No intente ver directamenteel haz de luz láser.

♣ Coloque el espejo en posición vertical, luego céntrelo en el papel polar,alineando la superficie externa del espejo con la línea correspondiente a 0.

♣ Coloque un línea referencia en el origen (punto de convergencia de todas laslíneas) del papel polar.

♣ Alinee el láser a lo largo de una de las líneas para uno de los ángulos

sugeridos en la tabla 4.1.1, active el láser y diríjalo hacia la referencia.

♣ Observe y mida el ángulo que forma el haz reflectado y anótelo en la tabla4.1.1.

♣ Repita los dos últimos procedimientos para todos los ángulos.

H a z i n c i d e n t e H

a z r e f l e j a d

o

Figura 4.2.4. Esquema experimental.


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Tabla 4.2.1

i r Er (%)10

20304050607080

4.2.1 ¿Cuál es la relación entre el ángulo de incidencia y el de reflexión para

un espejo plano?

4.2.2 ¿Cuáles son los valores de los ángulos de incidencia y reflexión

respectivamente?

4.2.3 Algunos instrumentos de medición tiene espejos planos en la escala

colocada detrás del cursor. El observador debe tomar la lectura cuandoel índice esta exactamente sobrepuesta a su imagen en el espejo ¿Porqué con este procedimiento se obtiene lecturas más precisas?

4.2.4.

Explique debido a que factores en nuestra experiencia el ángulo de

incidencia no es exactamente igual al ángulo de reflexión (tabla 4.1.1).

4.3. Refracción de la luz usando la cubeta.

♣ Coloque el recipiente semicircular de plástico lleno con agua, alinee lasuperficie plana con la línea correspondiente a 0, haga coincidir el centro deesta cara plana con el origen del papel polar.

♣ Alinee el puntero láser a lo largo de una de las líneas (tal como se indica enla figura 4.2.1) para uno de los ángulos sugeridos en la tabla 4.2.1, active elpuntero y diríjalo hacia el origen.

♣ Se puede observar la traza del haz de luz refractado en el papel dando unaligera inclinación al láser, observe y mida el ángulo que forma el haz refractadoy anótelo en la tabla 4.3.1.

♣ Repita los dos últimos procedimientos para todos los ángulos indicados en latabla 4.3.1.


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Tabla 4.3.1. (Aire – agua)

i (º) 0 10 20 30 40 50 60 70 80

r (º)

Sen i

Sen r

nagua

♣

Repita los tres últimos procedimientos observando la figura 4.3.2 y completela tabla 4.3.2. Encuentre el ángulo crítico (a partir del cual se produce elfenómeno reflexión total interna, t = 90)

Observación : Considere que naire 1, y que la frecuencia no varia al pasar deun medio a otro. El subíndice “ref” en la tabla 4.3.1 hace referencia al mediorefractante.



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Tabla 4.3.2. (Agua – aire)

i (º) 0 10 20 30 40

r (º)90

Sen i

Sen r

nagua

4.3.1 Con los datos de las tablas 4.3.1 y 4.3.2 construya la gráfica del ángulo

de refracción en función del ángulo 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

función del ángulo de incidencia.

4.3.3 Calcule el índice de refracción 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 aplicación del fenómeno de reflexión total interna y 1

ejemplo de la aparición del fenómeno en la naturaleza.

4.3.5

¿Por qué razón se le agrego detergente al agua?

4.4. Lentes delgadas y espejos.

♣ Tomas las diferentes lentes que te proporcione el profesor y con ayuda delláser traza 5 rayos como en la figura 4.4.1 y halla la distancia focal para cadacaso trazando los haces láser transmitidos.

♣ Haz lo propio con los espejos y sus haces reflejados.

Laser

Ray

Box

Figura 4.4.1. Configuraciones para las lentes.


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4.4.1 Determina teóricamente la distancia focal de cada lente. ¿A qué

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 qué?

4.5. Calcular la magnificación usando lentes convergentes.

♣ Haz la configuración de la gráfica.

Figura 4.5.1. Configuración experimental.

♣ Mueve los tres componentes a diferentes valores hasta que obtengas unaimagen nítida del diafragma en la pantalla como en la figura 4.5.2.

Figura 4.5.2. Imagen resultante

♣ Completa la tabla 4.5.1. con los valores encontrados.

si so yi yo

123


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

4.5.2. Menciona dos aplicaciones tecnológicas de las lentes.

5.

OBSERVACIONES

5.1.

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________

5.2. _____________________________________________________________

_____________________________________________________________

5.3. _____________________________________________________________

_____________________________________________________________

6.

CONCLUSIONES

6.1 _____________________________________________________________

_____________________________________________________________

6.2 _____________________________________________________________

_____________________________________________________________

6.3 _____________________________________________________________

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