LEY DE SNELL

PRESENTADO POR:

MARÍA FERNANDA ROSERO

DIEGO GUAPACHA BAÑOL

VICTOR ALEXANDER RIVERA

ALEXANDRA MARÍN

RAQUEL YAJAIRA ORTIZ

INSTITUCIÓN EDUCATIVA EUSTAQUIO PALACIOS

FISICA: ÓPTICA

SANTIAGO DE CALI, AGOSTO 20 DEL 2015

LEY DE SNELL

PRESENTADO POR:

MARÍA FERNANDA ROSERO

DIEGO GUAPACHA BAÑOL

VICTOR ALEXANDER RIVERA

ALEXANDRA MARÍN

RAQUEL YAJAIRA ORTIZ

PRESENTADO A:

ALBERTO GUTIERREZ

INSTITUCIÓN EDUCATIVA EUSTAQUIO PALACIOS

GRADO: 11-2

FISICA: ÓPTICA

SANTIAGO DE CALI, AGOSTO 20 DEL 2015

LEY DE SNELL

PRESENTADO POR: María Fernanda Rosero; Diego Guapácha; Víctor Rivera; Alexandra Marín; Raquel Ortiz.

EXPERIMENTO FÍSICO.

FECHA DE REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA: 13/08/2015.

FECHA DE ENTREGA DEL INFORME: 20/08/2015.

INTRODUCCION

Cuando un haz de luz incide sobre la superficie que separa dos medios, en los cuales la luz se propaga con diferentes velocidades, parte de la misma se transmite y parte se refleja. Para un medio cualquiera, el índice de refracción n se define como n=c/v, donde c es la velocidad de la luz en el vacío y v la velocidad de la luz en el medio. La ley de Snell establece que la relación entre el ángulo incidente (θ1) y el refractado (θ3) es n1 sin(θ1) = n3 sin(θ3), donde n1 es el índice correspondiente al medio por donde incide el rayo y n3 el medio por el cual se transmite el rayo. Similarmente la ley establece que para el ángulo del rayo reflejado θ2 nos queda θ1 = θ2.

En este informe trataremos algunos de los fenómenos estudiados en la “óptica”, la incidencia de la luz y la determinación de la naturaleza; con el cual se pretende comprobar la ley de Snell, específicamente reconocer y explicar el fenómeno de la reflexión en los espejos y construir imágenes a partir de los rayos reflejados en una superficie. Veremos cómo se presenta la reflexión y la refracción en diferentes materiales y condiciones, analizaremos sus comportamientos y trataremos de descubrir leyes que rijan el comportamiento de la luz sobre distintos materiales y medios. El proceso de esta actividad viene dado como un elemento de aprendizaje y comunicación, con un desarrollo sistemático, donde daremos a conocer el marco teórico, realizaremos descripciones de experimentos, materiales utilizados, datos obtenidos, imágenes de apoyo, evidencias y conclusiones.

JUSTIFICACION

El presente informe se realiza con la finalidad de recordar los procedimientos y resultados obtenidos en el transcurso del tercer periodo y del experimento final. Además para analizar cada uno de los resultados desde diferentes puntos de vista e información obtenida por las fuentes de búsqueda.

OBJETIVO GENERAL

Comprobar, basándose en la ley de Snell para la reflexión; determinando el índice de la reflexión de un haz de luz emitido por una linterna de vigilancia de tres bombillas led y por un láser, en superficies de colores. Estudiar experimentalmente las leyes de reflexión y refracción de la luz.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Identificar y comprobar la ley de Snell, mediante la aplicación de diferentes rayos de luz que inciden sobre una superficie de color.

Deducir experimentalmente las leyes de reflexión y encontrar una regla para determinar la posición de la imagen de un objeto.

Realizar un estudio a partir de los datos obtenidos como resultado del experimento.

Facilitar la adquisición y adaptación de conocimiento acerca del tema.

MARCO TEÓRICO

Reflexión y Refracción

Si se ve la superficie de un estanque de agua calma y clara, uno puede observar los objetos que se encuentran en el fondo, pero además puede observar el reflejo del entorno. Este simple ejemplo muestra claramente los efectos de las leyes de reflexión y refracción de la luz, y pueden observarse siempre que esta viaje de un medio a otro. La óptica geométrica estudia este tipo de fenómenos. Una forma conveniente y simple de estudiar la luz y su comportamiento dentro de la óptica geométrica es mediante el concepto de rayos, los cuales están trazados como líneas rectas perpendiculares a los frentes de onda (planos) e indican la dirección de movimiento de los frentes de onda (figura 1).

Así, cuando un haz luminoso pasa a través de una interfaz entre dos medios, se observa que parte del rayo se refleja, vuelve al medio del que venía, y otra parte se refracta, pasa al otro medio. Podemos ver este efecto en la figura 2:

De este experimento se pueden deducir las leyes de reflexión y refracción de la luz, esta última también conocida como ley de Snell.

Estas pueden deducirse de distintas maneras, como ser usando los principios de Huygens y de Fermat, o también mediante las ecuaciones de Maxwell.

En la Ley de Snell las constantes n1 y n2 son coeficientes adimensionales llamados índices de refracción. El índice de refracción n de un medio es la razón de las velocidades de la luz en el vacío c y en el medio v, respectivamente:

Otro aspecto importante para analizar es el comportamiento ondulatorio de la luz en el fenómeno de refracción. Dentro de las características ondulatorias, la frecuencia f no varía al pasar de un medio a otro dado que no se destruyen ni se crean ondas en la interfaz.

Con esta afirmación podemos estudiar qué ocurre con la longitud de ʎ onda de la luz cuando esta se refracta a otro material. De la expresión para ondas v=ʎf con v

igual a la velocidad de la luz en el material y c= ʎ0f para el vacío, operando con la definición de índice de refracción obtenemos:

Reflexión Total Interna

De las leyes de reflexión y refracción sabemos que cuando un haz de luz pasa a través de un medio a otro parte de la luz se refracta y otra parte se refleja, un caso muy particular de este fenómeno se da cuando la luz viaja desde un medio de mayor índice de refracción a otro de uno menor. En este caso, de la ley de Snell vemos que el ángulo de salida es mayor que el de entrada. Entonces existirá un ángulo crítico para el cual el ángulo de salida sea 90°; superado este ángulo, todo el rayo incidente se refleja en la superficie límite, aunque el medio de menor índice sea traslucido (figura 3).

De la ley de Snell, podemos calcular el ángulo crítico para dos materiales con índices n1 y n2, con n1 > n2 Figura 3.

Ley de Snell

La ley de Snell (también llamada ley de Snell-Descartes) es una fórmula utilizada

para calcular el ángulo de refracción de la luz al atravesar la superficie de

separación entre dos medios de propagación de la luz (o cualquier onda

electromagnética) con índice de refracción distinto. El nombre proviene de su

descubridor, el matemático holandés Willebrord Snel van Royen(1580-1626). La

denominaron "Snell" debido a su apellido pero le pusieron dos "l" por su nombre

Willebrord el cual lleva dos "l".

La misma afirma que la multiplicación del índice de refracción por el seno del

ángulo de incidencia es constante para cualquier rayo de luz incidiendo sobre la

superficie separatriz de dos medios. Aunque la ley de Snell fue formulada para

explicar los fenómenos de refracción de la luz se puede aplicar a todo tipo de

ondas atravesando una superficie de separación entre dos medios en los que la

velocidad de propagación de la onda varíe.

Descripción óptica

Consideremos dos medios caracterizados por índices de refracción   y   

separados por una superficie S. Los rayos de luz que atraviesen los dos medios se

refractarán en la superficie variando su dirección de propagación dependiendo del

cociente entre los índices de refracción   y  .

Para un rayo luminoso con un ángulo de incidencia   sobre el primer medio,

ángulo entre la normal a la superficie y la dirección de propagación del rayo,

tendremos que el rayo se propaga en el segundo medio con un ángulo de

refracción  cuyo valor se obtiene por medio de la ley de Snell.

Obsérvese que para el caso de   (rayos incidentes de forma perpendicular a la

superficie) los rayos refractados emergen con un ángulo   para cualquier   

y  .

La simetría de la ley de Snell implica que las trayectorias de los rayos de luz son

reversibles. Es decir, si un rayo incidente sobre la superficie de separación con un

ángulo de incidencia   se refracta sobre el medio con un ángulo de refracción ,

entonces un rayo incidente en la dirección opuesta desde el medio 2 con un

ángulo de incidencia   se refracta sobre el medio 1 con un ángulo .

Una regla cualitativa para determinar la dirección de la refracción es que el rayo en

el medio de mayor índice de refracción se acerca siempre a la dirección de la

normal a la superficie. La velocidad de la luz en el medio de mayor índice de

refracción es siempre menor.

La ley de Snell se puede derivar a partir del principio de Fermat, que indica que la

trayectoria de la luz es aquella en la que los rayos de luz necesitan menos tiempo

para ir de un punto a otro. En una analogía clásica propuesta por el físico Richard

Feynman, el área de un índice de refracción más bajo es substituida por una

playa, el área de un índice de refracción más alto por el mar, y la manera más

rápida para un socorrista en la playa de rescatar a una persona que se ahoga en

el mar es recorrer su camino hasta ésta a través de una trayectoria que verifique la

ley de Snell, es decir, recorriendo mayor espacio por el medio más rápido y menor

en el medio más lento girando su trayectoria en la intersección entre ambos.

Un rayo de luz propagándose en un medio con índice de refracción   incidiendo

con un ángulo   sobre la superficie de un medio de índice   con   puede

reflejarse totalmente en el interior del medio de mayor índice de refracción. Este

fenómeno se conoce como reflexión interna total o ángulo límite y se produce para

ángulos de incidencia   mayores que un valor crítico cuyo valor es:

En la ley de Snell:

si  , entonces  . Eso significa que cuando   aumenta,   llega a   

radianes (90°) antes que  . El rayo refractado (o transmitido) viaja paralelo a la

superficie separatriz de los medios. Si   aumenta aún más, como   no puede ser

mayor que  , no hay transmisión al otro medio y la luz se refleja totalmente.

La reflexión es realmente total (100%) y sin pérdidas. Es decir, mejor que los

espejos metálicos (plata, aluminio) que solo reflejan 96% de la potencia luminosa

incidente.

Historia

La ley de Snell fue descubierta primero por Ibn Sahl en el siglo X, que la utilizó

para resolver las formas de las lentes anaclastic (las lentes que enfocan la luz con

aberraciones geométricas). Fue descubierta otra vez en el siglo XVI y enunciada

nuevamente en el siglo XVII, por Willebrord Snel van Royen. En los países

francófonos la ley de Snell se conoce como "segunda ley de contracción" o "ley

de Descartes".

Óptica

En la Edad Antigua se conocía la propagación rectilínea de la luz, la reflexión y refracción. Dos filósofos y matemáticos griegos escribieron tratados sobre óptica: Empédocles yEuclides.

Ya en la Edad Moderna René Descartes consideraba la luz como una onda de presión transmitida a través de un medio elástico perfecto (el éter) que llenaba el espacio. Atribuyó los diferentes colores a movimientos rotatorios de diferentes velocidades de las partículas en el medio.

La ley de la refracción fue descubierta experimentalmente en 1621 por Willebrord Snell. En 1657 Pierre de Fermat anunció el principio del tiempo mínimo y a partir de él dedujo la ley de la refracción.

En la refracción el rayo de luz que se atraviesa de un medio transparente a otro, se denomina rayo incidente; el rayo de luz que se desvía al ingresar al segundo medio transparente se denomina rayo refractado; el ángulo en que el rayo incidente, al ingresar al segundo medio, forma con la perpendicular al mismo, se denomina ángulo de incidencia; el ángulo que el rayo incidente forma con el rayo refractado, al desviarse, se denomina ángulo de refracción o ángulo indeterminado.

Interferencia y difracción

Robert Boyle y Robert Hooke y a dicha teoría la propuso Isaac Newton, los demás descubrieron, de forma independiente, el fenómeno de la interferencia conocido como anillos de Newton. Hooke también observó la presencia de luz en la sombra geométrica, debido a ladifracción, fenómeno que ya había sido descubierto por Francesco Maria Grimaldi. Hooke pensaba que la luz consistía en vibraciones propagadas instantáneamente a gran velocidad y creía que en un medio homogéneo cada vibración generaba una esfera que crece de forma regular. Con estas ideas, Hooke intentó explicar el fenómeno de la refracción e interpretar los colores. Sin embargo, los estudios que aclararon las propiedades de los colores fueron desarrollados por Newton que descubrió en 1666 que la luz blanca puede dividirse en sus colores componentes mediante un prisma y encontró que cada color puro se caracteriza por una refractabilidad específica. Las dificultades que la teoría ondulatoria se encontraba para explicar la propagación rectilínea de la luz y la polarización (descubierta porHuygens) llevaron a Newton a inclinarse por la teoría corpuscular, que supone que la luz se propaga desde los cuerpos luminosos en forma de partículas.

En la época en que Newton publicó su teoría del color, no se conocía si la luz se propagaba instantáneamente o no. El descubrimiento de la velocidad finita de la luz lo realizó en 1675 Olaf Roemer a partir de observaciones de los eclipses de Júpiter.

Por su parte, Hoke fue de los primeros defensores de la teoría ondulatoria que fue extendida y mejorada por Christian Huygens que enunció el principio que lleva su nombre, según el cual cada punto perturbado por una onda puede considerarse como el centro de una nueva onda secundaria, la envolvente de estas ondas secundarias define el frente de onda en un tiempo posterior. Con la ayuda de este principio, consiguió deducir las leyes de la reflexión y refracción. También pudo interpretar la doble refracción del espato de Islandia, fenómeno descubierto en 1669 por Erasmus Bartholinus, gracias a la suposición de la transmisión de una onda secundaria elipsoidal, además de la principal de forma esférica. Durante esta investigación Huygens descubrió la polarización. Cada uno de los dos rayos emergentes de la refracción del espato de Islandia puede extinguirse haciéndolo pasar por un segundo cristal del mismo material, rotado alrededor de un eje con la misma dirección que el rayo luminoso. Fue sin embargo Newton el que consiguió interpretar este fenómeno, suponiendo que los rayos tenían “lados”, propiedad que le pareció una objeción insuperable para la teoría ondulatoria de la luz, ya que en aquella época los científicos sólo estaban familiarizados con las ondas longitudinales.

El prestigio de Newton, indujo el rechazo por parte de la comunidad científica de la teoría ondulatoria, durante casi un siglo, con algunas excepciones, como la de Leonhard Euler. No fue hasta el comienzo del Siglo XIX en que nuevos progresos llevaron a la aceptación generalizada de la teoría ondulatoria. El primero de ellos fue la enunciación porThomas Young en 1801, del principio de interferencia y la explicación de los colores de películas delgadas. Sin embargo, como fueron expresadas en términos cualitativos no consiguieron reconocimiento generalizado. En esta misma época Étienne-Louis Malus describió la polarización por reflexión, en 1808 observó la reflexión del Sol desde una ventana a través de un cristal de espato de Islandia y encontró que las dos imágenes birrefringentes variaban sus intensidades relativas al rotar el cristal, aunque Malus no intentó interpretar el fenómeno.

Aportes de Fresnel

Augustin-Jean Fresnel ganó un premio instituido en 1818 por la academia de París por la explicación de la difracción, basándose en la teoría ondulatoria, que fue la primera de una serie de investigaciones que, en el curso de algunos años, terminaron por desacreditar completamente la teoría corpuscular. Los principios básicos utilizados fueron: elprincipio de Huygens y el de interferencia de Young, los cuales, según demostró Fresnel, son suficientes para explicar, no sólo la propagación rectilínea, sino las desviaciones de dicho comportamiento (como la difracción). Fresnel calculó la difracción causada por rendijas, pequeñas aperturas y pantallas. Una confirmación experimental de su teoría de la difracción fue la verificación realizada por François Jean Dominique Arago de una predicción de Poisson a partir de las teorías de Fresnel, que es la existencia de una mancha brillante en el centro de la sombra de un disco circular pequeño.

En el mismo año Fresnel también investigó el problema de la influencia del movimiento terrestre en la propagación de la luz. Básicamente el problema consistía en determinar si existe alguna diferencia entre la luz de las estrellas y la

de fuentes terrestres. Arago encontró experimentalmente que (aparte de la aberración) no había diferencia. Sobre la base de este descubrimiento Fresnel desarrolló su teoría de la convección parcial del éter por interacción con la materia, sus resultados fueron confirmados experimentalmente en 1851 por Armand Hyppolyte. Junto con Arago, Fresnel investigó la interferencia de rayos polarizados y encontró en 1816 que dos rayos polarizados perpendicularmente uno al otro, nunca interferían. Este hecho no pudo ser reconciliado con la hipótesis de ondas longitudinales, que hasta entonces se había dado por segura. Young explicó en 1817 el fenómeno con la suposición de ondas transversales.

Fresnel intentó explicar la propagación de la luz como ondas en un material (éter) y dado que en un fluido sólo son posibles las oscilaciones elásticas longitudinales, concluyó que el éter debía comportarse como un sólido, pero como en aquella época la teoría de ondas elásticas en sólidos no estaba desarrollada, Fresnel intentó deducir las propiedades del éter de la observación experimental. Su punto de partida fueron las leyes de propagación en cristales. En 1832, William Rowan Hamilton predijo a partir de las teorías de Fresnel la denominada refracción cónica, confirmada posteriormente de forma experimental por Humprey Lloyd.

Fue también Fresnel el que en 1821 dio la primera indicación de las causas de la dispersión al considerar la estructura molecular de la materia, idea desarrollada posteriormente por Cauchy.

Los modelos dinámicos de los mecanismos de las vibraciones del éter, llevaron a Fresnel a deducir las leyes que ahora llevan su nombre y que gobiernan la intensidad y polarización de los rayos luminosos producidos por la reflexión y refracción.

La teoría del éter

En 1850 Foucault, Fizeau y Breguet realizaron un experimento crucial para decidir entre las teorías ondulatoria y corpuscular. El experimento fue propuesto inicialmente por Arago y consiste en medir la velocidad de la luz en aire y agua. La teoría corpuscular explica la refracción en términos de la atracción de los corpúsculos luminosos hacia el medio más denso, lo que implica una velocidad mayor en el medio más denso. Por otra parte, la teoría ondulatoria implica, de acuerdo con el principio de Huygens que en el medio más denso la velocidad es menor.

En las décadas que siguieron, se desarrolló la teoría del éter. El primer paso fue la formulación de una teoría de la elasticidad de los cuerpos sólidos desarrollada por Claude Louis Marie Henri Navier que consideró que la materia consiste de un conjunto de partículas ejerciendo entre ellas fuerzas a lo largo de las líneas que los unen. Diferentes desarrollos aplicables a la Óptica fueron realizados por Siméon Denis Poisson, George Green, James MacCullagh y Franz Neuman. Todas ellas encontraban dificultades por intentar explicar el fenómeno óptico en términos mecánicos. Por ejemplo, al incidir sobre un medio una onda transversal, se deberían producir ondas, tanto longitudinales como transversales, pero, según los experimentos de Arago y Fresnel, solo se producen del segundo tipo. Otra

objeción a la hipótesis del éter es la ausencia de resistencia al movimiento de los planetas.

Un primer paso para abandonar el concepto de éter elástico lo realizó MacCullagh, que postuló un medio con propiedades diferentes a la de los cuerpos ordinarios. Las leyes de propagación de ondas en este tipo de éter son similares a las ecuaciones electromagnéticas de Maxwell.

A pesar de las dificultades, la teoría del éter elástico persistió y recibió aportaciones de físicos del siglo XIX, entre ellos William Thomson (Lord Kelvin), Carl Neumann, John William Strutt (Lord Rayleigh) y Gustav Kirchhoff.

Las ondas luminosas como ondas electromagnéticas

Mientras tanto, las investigaciones en electricidad y magnetismo se desarrollaban culminando en los descubrimientos de Michael Faraday. James Clerk Maxwell consiguió resumir todo el conocimiento previo en este campo en un sistema de ecuaciones que establecían la posibilidad de ondas electromagnéticas con una velocidad que podía calcularse a partir de los resultados de medidas eléctricas y magnéticas. Cuando Rudolph Kohlrausch y Wilhelm Eduard Weber realizaron estas medidas, la velocidad obtenida resultó coincidir con la velocidad de la luz. Esto llevó a Maxwell a especular que las ondas luminosas eran electromagnéticas, lo que se verificó experimentalmente en 1888 porHeinrich Hertz.

La teoría cuántica:

Pero, incluso la teoría electromagnética de la luz es incapaz de explicar el proceso de emisión y absorción. Para ello, Einstein y otros desarrollaron una teoría cuántica basada en fotones de luz difractada. Esta línea de investigación ha permitido desarrollar una teoría bien verificada experimentalmente, y que ha supuesto la base de la óptica cuántica tal y como la conocemos hoy en día.

Las leyes que rigen estos últimos procesos comenzaron a dilucidarse con Joseph von Fraunhofer que descubrió entre 1814-1817 líneas oscuras en el espectro solar. La interpretación como líneas de absorción de las mismas se dio por primera vez en 1861 sobre la base de los experimentos de Robert Wilhelm Bunsen y Gustav Kirchhoff. La luz de espectro continuo del Sol, al pasar por los gases de la atmósfera solar, pierde por absorción, justamente aquellas frecuencias que los gases que la componen emiten. Este descubrimiento marca el inicio del análisis espectral que se base en que cada elemento químico tiene un espectro de líneas característico. El estudio de estos espectros no pertenece exclusivamente al campo de la Óptica ya que involucra la mecánica de los propios átomos y las leyes de las líneas espectrales revelan información, no tanto sobre la naturaleza de la luz como la estructura de las partículas emisoras.

Finalmente la comunidad científica acabó aceptando que la mecánica clásica es inadecuada para una descripción correcta de los sucesos que ocurren en el interior de los átomos y debe ser reemplazada por la teoría cuántica. La aplicación de la misma permitió a Niels Bohr explicar las leyes de las líneas espectrales de los gases. Así pues, lamecánica cuántica ha influido decisivamente sobre el

concepto científico de la naturaleza de la luz. Fue Albert Einstein el que, basándose en los cuantos de Planck retomó la teoría corpuscular de la luz en una nueva forma, asignándole realidad física de dichos cuantos (fotones). De este modo pudo explicar algunos fenómenos que se habían descubierto, relativos a la transformación de la luz en energía corpuscular que eran inexplicables con la teoría ondulatoria. Así, en el efecto fotoeléctrico la energía impartida a las partículas secundarias es independiente de la intensidad y es proporcional a la frecuencia de la luz.

La teoría detallada de la interacción entre campo y materia requiere de los métodos de la mecánica cuántica (cuantización del campo). En el caso de la radiación electromagnética, Dirac fue el primero en realizarlo, fundando las bases de la óptica cuántica.

La óptica a su vez ha influido decisivamente en otros frentes de la física, en particular la rama de la óptica de cuerpos en movimiento participó en el desarrollo de la teoría de la relatividad. El primer fenómeno observado en este campo fue la aberración de las estrellas fijas, estudiado por James Bradley en 1728. El fenómeno aparece con la observación de las estrellas en diferentes posiciones angulares, dependiendo del movimiento de la Tierra respecto a la dirección del haz de luz. Bradley interpretó el fenómeno como causado por la velocidad finita de la luz y pudo determinar su velocidad de este modo. Otro fenómeno de la óptica de cuerpos en movimiento es la convección de la luz por los cuerpos en movimiento, que Fresnel mostró se podía entenderse como la participación de éter en el movimiento con sólo una fracción de la velocidad del cuerpo en movimiento.

Fizeau demostró después esta convección experimentalmente con la ayuda de flujos de agua. El efecto del movimiento de la fuente luminosa fue estudiado por Christian Doppler, que formuló el principio de su mismo nombre. Hertz fue el primero en intentar generalizar las leyes de Maxwell a objetos en movimiento. Su formulación, sin embargo, entraba en conflicto con algunos experimentos. Otro investigador en este campo fue Hendrik Antoon Lorentz que supuso el éter en estado de reposo absoluto como portador del campo electromagnético y dedujo las propiedades de los cuerpos materiales a partir de la interacción de partículas eléctricas elementales (los electrones). Pudo deducir el coeficiente de convección de Fresnel a partir de su teoría, así como el resto de fenómenos conocidos en 1895. Sin embargo con la mejora de la precisión en la determinación de caminos ópticos, obtenida gracias al interferómetro de Albert Abraham Michelson con el que se descubrió una anomalía: resultó imposible demostrar la existencia de un corrimiento del éter requerida por la teoría del éter estacionario. Esta anomalía fue resuelta por Albert Einstein en 1905 con su teoría especial de la relatividad.

Óptica moderna

La óptica moderna abarca las áreas de la ciencia y la ingeniería óptica que se hicieron populares en el siglo XX. Estas áreas de la ciencia óptica normalmente se refieren a la electromagnética o las propiedades cuánticas de la luz, pero no incluyen otros temas. Un subcampo importante de la óptica moderna, la óptica

cuántica, que trata de propiedades mecánicas especialmente la cuántica de la luz. La óptica cuántica no es sólo teórica, algunos de los dispositivos modernos, como el láser, tienen sus principios de funcionamiento que dependen de la mecánica cuántica. Detectores de luz, tales como fotomultiplicadores y channeltrons, responden a fotones individuales. Sensores electrónicos de imagen, como CD´s, la exposición de ruido de disparo correspondiente a las estadísticas de los distintos eventos de fotones.Diodos emisores de luz y células fotovoltaicas, tampoco pueden entenderse sin la mecánica cuántica. En el estudio de estos dispositivos, la óptica cuántica a menudo se superpone con la electrónica cuántica.

Áreas especializadas en la investigación de la óptica incluyen el estudio de cómo la luz interactúa con materiales específicos como en la óptica de cristal y metamateriales. Otra investigación se centra en la fenomenología de las ondas electromagnéticas, como en óptica singular, la óptica sin imágenes, la óptica no lineal y óptica estadística, y radiometría. Además, los ingenieros informáticos han tomado un interés en la óptica integrada, la visión artificial y computación fotónica como posibles componentes de la "próxima generación" de ordenadores.

Hoy en día, la ciencia pura de la óptica se llama la ciencia óptica o física óptica para distinguirlo de las ciencias aplicadas óptica, que se conocen como ingeniería óptica. Subcampos destacados de la ingeniería óptica incluyen ingeniería de iluminación, la fotónica y optoelectrónica, con aplicaciones prácticas como objetivo el diseño, fabricación y ensayo de componentes ópticos y de procesamiento de imágenes. Algunos de estos campos se superponen, con límites difusos entre los términos de los temas que significan cosas diferentes en diferentes partes del mundo y en diferentes áreas de la industria.

Láser

Un láser es un dispositivo que emite luz (radiación electromagnética) a través de un proceso conocido como emisión estimulada. El término láser es un acrónimo para la amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. La luz láser es generalmente coherente, lo que significa que la luz es emitida en un estrecho de baja divergencia del haz, o se puede convertir en una con el la ayuda de componentes ópticos tales como lentes.

El primer láser fue demostrado el 16 de mayo de 1960 por Theodore Maiman en el Hughes Research Laboratories. Cuando se inventó por primera vez, se les llamaba "una solución buscando un problema". Desde entonces, los láser se han convertido en uno de varios millones de dólares de la industria, la búsqueda de la utilidad en miles de aplicaciones muy variadas. La primera aplicación de los láser visibles en la vida cotidiana de la población en general era el supermercado de código de barras escáner, introducido en 1974. El reproductor de laserdisc, introducido en 1978, fue el primer producto de consumo con éxito para incluir un láser, pero el reproductor de discos compactos fue el primer dispositivo equipado con láser que llegó a ser verdaderamente común en los hogares de los consumidores, a partir de 1982. Estos dispositivos de almacenaje ópticos usan un láser de semiconductor de menos de un milímetro de ancho para explorar la

superficie del disco para la recuperación de datos. La comunicación de fibra óptica confía en láser para transmitir las cantidades grandes de información en la velocidad de luz. Otros usos comunes de láser incluyen impresoras de láser e indicadores de láser. Los láser son usados en la medicina en áreas como "la cirugía sin sangre" , la cirugía de ojo de láser, y la microdisección de captura de láser y en usos militares como sistemas de defensa de misil, contramedidas electrópticas (EOCM), y LIDAR. Los láseres también son usados en hologramas, juegos de luces de láser, y el retiro de pelo de láser.

Teorías científicas

Desde el punto de vista físico, la luz es una onda electromagnética. Según el modelo utilizado para la luz, se distingue entre las siguientes ramas, por orden creciente de precisión (cada rama utiliza un modelo simplificado del empleado por la siguiente):

La óptica geométrica: Trata a la luz como un conjunto de rayos que cumplen el principio de Fermat. Se utiliza en el estudio de la transmisión de la luz por medios homogéneos (lentes, espejos), la reflexión y la refracción.

La óptica electromagnética u óptica física: Considera a la luz como una onda electromagnética, explicando así la difracción reflectancia y transmitancia, y los fenómenos de polarización y anisotropía.

La óptica cuántica: Estudio cuántico de la interacción entre las ondas electromagnéticas y la materia, en el que la dualidad onda-corpúsculo desempeña un papel crucial.

Espectro electromagnético

Si bien la Óptica se inició como una rama de la física distinta del electromagnetismo en la actualidad se sabe que la luz visible parte del espectro electromagnético, que no es más que el conjunto de todas las frecuencias de vibración de las ondas electromagnéticas. Los colores visibles al ojo humano se agrupan en la parte del "Espectro visible".

DESCRIPCIÓN Y RESULTADOS

Montaje:

Para el desarrollo de esta sesión utilizaremos los siguientes materiales e

instrumentos:

Materiales:

Rejillas de colores

Pantallas de colores

Linterna de vigilancia de 3 bombillas led

Señalador laser

Rejilla rectangular

Siluetas

Dos espejos planos

Vela

Lápiz

Monedas de la misma denominación

Regla

Transportador

Espejo cóncavo

Espejo convexo

Cámara fotográfica

Prismas

Fosforera

Talcos o polvos

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

DISTINTAS SUPERFICIES

ACTIVIDAD N° 1

En esta actividad iniciamos colocando 3 rejillas con 3 ranuras separadas a una distancia de 10cm y al final unas pantallas de diferentes colores Se puede Observar como en la pantalla hay varias zonas iluminadas, pero al ver más de cerca se observa que solo hay 3 zonas iluminadas, esto sucede con todas las pantallas de colores, si acercamos la linterna la luz se vuelve más intensa, al alejarla ocurre lo contrario. También podemos apreciar que en las pantallas de colores oscuros se ve opaca la luz, por otro lado las pantallas de colores claros muestran una luz más brillante.

Cuando realizamos este experimento con el puntero laser observamos que al apuntar a través de las rejillas se podía ver el punto del señalador y a su alrededor una pequeña estela de luz, esto se apreciaba más en las pantallas de color oscuro y menos en las de colores claros era casi imperceptible como se puede observar en las imágenes.

ACTIVIDAD N° 2

Aquí se podía observar que la silueta no tenía ningún cambio aparente, pues la luz dibujaba su sombra de forma casi perfecta, esto se dio colocando las rejillas.

Con el puntero laser se pudo ver como cierta parte de la silueta era sombreada, pues no estaba completa, y cuanto se cambiaba de posición el láser se podía apreciar la sombra de las rejillas.

ESPEJOS

ACTIVIDAD N° 3

Vela con espejos angulares a 30 grados

Cuando colocamos una vela en el centro de dos espejos angulares a 30 grados, podemos observar que desde el frente la imagen de la vela se ve reflejada 12 veces en los dos espejos, por lo que podemos concluir que por los 30 grados de ángulo de los dos espejos, ya que es un ángulo reducido, la imagen se refleja de un espejo a otro formando muchas imágenes de la vela, además de que la que da la vela al reflejar con los espejos se puede ver mucho más luminosa a comparación de como se ve la vela sola.

Vela con espejos angulares a 45 grados

Cuando aumentamos los grados del ángulo hasta los 45 grados vemos que el número de imágenes reflejadas en los dos espejos se reduce a 8 imágenes mostrando una organización circular, solo que entre cada imagen hay una

separación mayor por lo tanto se muestran menos imágenes en los 45 grados que en los 30 grados

Vela con espejos angulares a 75 grados

Cuando seguimos aumentando más los grados del ángulo de los espejos hasta los 75 grados podemos ver que esta vez solo vemos 4 imágenes de la vela reflejada en cada uno de los dos espejos, podemos observar que también la distancia entre cada imagen aumentó, siguiendo la forma circular formando menos imágenes que antes.

Lápiz con espejos angulares a 30 grados

Cuando colocamos lápiz en el centro de dos espejos angulares a 30 grados, podemos observar que desde el frente la imagen del lápiz se ve reflejado 12 veces en los dos espejos, notando que conforme la imagen es más distante se dificulta un poco más su visibilidad y para ver todas las imágenes reflejadas hay que observar los espejos desde diferentes lugares, ya que tiene una organización circular.

Lápiz con espejos angulares a 45 grados

Cuando aumentamos los grados del ángulo hasta los 45 grados vemos que el número de imágenes del lápiz reflejadas en los dos espejos se reduce a 8 imágenes mostrando la misma organización circular, solo que entre cada imagen hay una separación mayor por lo tanto se muestran menos imágenes en los 45 grados que en los 30 grados, esta vez se pueden ver las imágenes con mayor claridad.

Lápiz con espejos angulares a 75 grados

Cuando seguimos aumentando más los grados del ángulo de los espejos hasta los 75 grados podemos ver que esta vez solo vemos 4 imágenes del lápiz reflejado en cada uno de los dos espejos, vemos que junto al lápiz central se ven las imágenes del lápiz en forma de estrella.

Lápiz con espejos angulares a 90 grados

Cuando aumentamos a 90 grados el ángulo de los espejos podemos ver que solo se forman 3 imágenes del lápiz solamente y las imágenes tienen forma de cruz.

Moneda con espejos angulares a 30 grados

Cuando colocamos la moneda en el centro de dos espejos angulares a 30 grados, podemos observar que desde el frente la imagen de la moneda se ve reflejado 12 veces en los dos espejos, conforme la imagen reflejada es más distante se dificulta un poco más su visibilidad de hecho la moneda presenta las mismas

características de reflexión que el lápiz también las imágenes se presentan en forma circular y para observarlas todas hay que verlas desde diferentes ángulos o lugares.

Moneda con espejos angulares a 45 grados

Cuando aumentamos los grados del ángulo hasta los 45 grados vemos que el número de imágenes de la moneda reflejadas en los dos espejos se reduce a 8 imágenes mostrando la misma organización circular, solo que entre cada imagen hay una separación mayor por lo tanto se muestran menos imágenes, manteniendo su similitud con la reflexión causada por el lápiz.

Moneda con espejos angulares a 75 grados

Cuando seguimos aumentando más los grados del ángulo de los espejos hasta los 75 grados podemos ver que esta vez solo vemos 4 imágenes de la moneda reflejada en cada uno de los dos espejos manteniendo el comportamiento visto en el lápiz.

Moneda con espejos angulares a 90 grados

Cuando aumentamos a 90 grados el ángulo de los espejos podemos ver que solo se forman 3 imágenes del lápiz solamente y las imágenes tienen forma de cruz. También mostrando el mismo comportamiento que el lápiz en sentido de reflexión.

ACTIVIDAD N° 4

CUESTIONARIO

1. ¿Se observa lo mismo en una habitación con poca luz que en una habitación con bastante luz?

R// No, porque si hay poca luz no podrás ver bien en donde están los objetos ubicados que están a tu alrededor, pero si hay más luz podrás observar con mayor facilidad donde se encuentran ubicados los objetos.

2. ¿Cómo son los colores de los objetos que están en tu cuarto cuando hay poca luz que cuando hay más luz, como por ejemplo un bombillo de 60w y después colocar uno de 100w?

R// Con el de 60w el bombillo alumbra poco y se ven las cosas más oscuras y con el de 100w el bombillo alumbra más pero con un color amarillento muy encendido y fastidioso.

3. ¿Qué observas cuando te ves en el espejo del baño? ¿Te vez igual?

R// Sí, nos vemos igual, aunque si nos acercamos un poco, nos veremos más grande pero también más borroso.

4. ¿Si colocas algo escrito frente a un espejo lo puedes leer perfectamente? ¿Qué ocurre allí?

R// No, se observa el texto al revés y se invierten de derecha y a izquierda, y puede ser un poco complejo a tratar de ver o leer lo que se está mostrando frente el espejo, además que puede dañar la vista al esforzarla.

5. ¿Cuál es el color de la imagen reflejada de tu camisa cuando te miras en el espejo?

R// Se ve igual, no cambia de color.

6. ¿Qué nos dice esto acerca de la frecuencia de la luz que incide sobre un espejo y la frecuencia de la luz reflejada?

R// La luz se representa por medio de dos rayos: el que llega a una superficie, el rayo incidente, y el que sale “rebotando” después de que sea reflejado.

7. ¿A qué distancia tendrías que enfocar tu cámara para tomar una fotografía de tu propia imagen si estas a 2m de un espejo plano?

R// El enfoque a un 120 m para poder ver mi imagen completa.

8. ¿Por qué las superficies metálicas pulidas son buenos espejos?

R// El grupo coincide que las superficies pulidas son buenos espejos por que debido a que la superficie de todos los rayos se reflejan en la misma dirección.

9. ¿Es posible que cuando la luz incida sobre un vidrio se devuelva o se trasmita?R// Se devuelve ya que es reflejada por el vidrio.

10. ¿Será verdad que el reflejo de un paisaje sobre las aguas tranquilas se ve igual que el propio paisaje, pero de cabeza (sugerencia coloca en el piso un espejo entre ti y una mesa ¿ves la parte superior de la mesa en la imagen reflejada?

R// No es verdad, ya que la imagen no es directamente igual, puede ser que haya algunas relaciones, pero no son idénticas a las del paisaje, ya que en la parte superior no se puede observar bien el borde, pero si se puede a hacer un cambio de posiciones en el lugar donde se está observando.

ACTIVIDAD N° 5

Moneda con espejos paralelos

Cuando colocamos una moneda en medio de dos espejos paralelos podemos ver que el reflejo va de un espejo a otro, pareciendo que la imagen se repite infinitas veces, cada vez más y más lejos hasta que ya no se puede ver el fondo.

Vela con espejos paralelos

Cuando colocamos una vela en medio de dos espejos paralelos podemos ver como la luz generada por la vela se refleja en ambos espejos mostrando muchas imágenes casi infinitas en un camino recto, mostrando un efecto como si hubiera una hilera de velas hacia el infinito.

Lápiz con espejos paralelos

Cuando colocamos el lápiz en medio de dos espejos paralelos observamos un comportamiento similar al de los otros dos objetos, reflejando la imagen del lápiz entre los espejos formando una hilera infinita de lápices.

Moneda detrás de un espejo que refleja otra moneda

Cuando colocamos frente a un espejo plano una moneda y después sin ver el otro lado colocamos otra moneda donde vemos que el espejo refleja la moneda, observaremos que si lo hacemos bien, la moneda quedara en el mismo lugar donde el reflejo de espejo lo mostraba, exactamente a la misma distancia que se veía, ya que al ser un espejo plano el tamaño y la distancia reflejada no cambia al respecto con la original, por lo que con el reflejo podemos posicionar la moneda en el lugar que vemos reflejado y en verdad será ahí cuando quitemos el espejo.En esta actividad se pueden observar múltiples imágenes, además se observa como a medida de que se duplica la imagen esta toma posición hacia la izquierda

ACTIVIDAD N° 6

En esta actividad se pueden observar múltiples imágenes, además se observa como a medida de que se duplica la imagen esta toma posición hacia la izquierda

ACTIVIDAD N° 7

Espejo Cóncavo

En el espejo, se puede apreciar que la imagen es derecha y es reducida, a la hora de alejarse se nota que sigue derecha pero aún más reducida, al cercarse se puede ver como cierta parte está más grande y el resto es reducido.

ACTIVIDAD N° 8

Espejo Convexo

En este espejo se puede observar que la imagen es invertida y aumentada, a la hora de acercarse más al espejo la imagen es derecha y aumentada.

ACTIVIDAD N° 9

Cuando se colocó la luz en el prisma la luz reflejada se dispersó hacia los lados y hacia arriba.

ACTIVIDAD N° 10

Si se puede calcular, con la siguiente fórmula:

n = (360 - x)/x

Dónde: 

n = número de imágenes x = ángulo que forman entre sí los dos espejos planos

n = (360 - 55)/55

n = 5.5

ACTIVIDAD CON SEÑALADOR LASER Y POLVOS

En el paso a paso de este experimento, utilizamos talcos de aseo personal, tomamos el láser, iluminamos en dirección a una puerta y empezamos a dejar caer el talcos frente a él; mediante este proceso podemos afirmar que se reflejó la trayectoria del láser hacia la puerta, donde se encontraba el punto, mostrando el recorrido, entre más talcos se dejaban caer, más se refleja la línea roja provocada por el señalador laser.

RECOLECCIÓN DE DATOS

Los datos obtenidos del experimento son:

ACTIVIDAD N° 1

Actividad 1

Linterna y Señalador Laser

Medida Rejillas Color10 cm Una Rejilla Verde15 cm Una Rejilla Verde6,5 cm Una Rejilla Verde

Actividad 1

Linterna y Señalador Laser

Medida Rejillas Color10 cm Dos Rejillas Verde15 cm Dos Rejillas Verde6,5 cm Dos Rejillas Verde

Actividad 1

Linterna y Señalador Laser

Medida Rejillas Color10 cm Tres Rejillas Verde15 cm Tres Rejillas Verde6,5 cm Tres Rejillas Verde

Descripción

Actividad 1

Linterna y Señalador

LaserMedida Rejillas Color10 cm Una Rejilla Negro15 cm Una Rejilla Negro6,5 cm Una Rejilla Negro

Actividad 1

Linterna y Señalador

LaserMedida Rejillas Color10 cm Dos Rejillas Negro15 cm Dos Rejillas Negro6,5 cm Dos Rejillas Negro

Actividad 1

Linterna y Señalador

LaserMedida Rejillas Color10 cm Tres Rejillas Rojo15 cm Tres Rejillas Rojo6,5 cm Tres Rejillas Rojo

Actividad 1

Linterna y Señalador

LaserMedida Rejillas Color10 cm Una Rejilla Rojo15 cm Una Rejilla Rojo6,5 cm Una Rejilla Rojo

Actividad 1

Linterna y Señalador

LaserMedida Rejillas Color10 cm Dos Rejillas Rojo15 cm Dos Rejillas Rojo6,5 cm Dos Rejillas Rojo

Actividad 1

Linterna y Señalador

LaserMedida Rejillas Color10 cm Una Rejilla Blanco15 cm Una Rejilla Blanco6,5 cm Una Rejilla Blanco

Actividad 1

Linterna y Señalador

LaserMedida Rejillas Color10 cm Dos Rejillas Blanco15 cm Dos Rejillas Blanco6,5 cm Dos Rejillas Blanco

Actividad 1

Linterna y Señalador

LaserMedida Rejillas Color10 cm Tres Rejillas Blanco15 cm Tres Rejillas Blanco6,5 cm Tres Rejillas Blanco

ACTIVIDAD N° 2

Actividad 2

Linterna y Señalador

LaserMedida Rejillas Color10 cm Rectangular Rojo10 cm Silueta A Rojo

Actividad 2

Linterna y Señalador

LaserMedida Rejillas Color10 cm Rectangular Blanco10 cm Silueta A Blanco

Actividad 2

Linterna y Señalador

LaserMedida Rejillas Color10 cm Rectangular Negro10 cm Silueta A Negro

ACTIVIDA D N° 3

ACTIVIDAD N° 5

Actividad 5

Actividad 2

Linterna y Señalador

LaserMedida Rejillas Color10 cm Rectangular Verde10 cm Silueta A Verde

Actividad 3

Espejos ÁngulosImágene

s ObjetoDos

Espejos 30° 10 MonedaDos

Espejos 45° 6 MonedaDos

Espejos 75° 4 MonedaDos

Espejos 90° 4 Moneda

Actividad 3

Espejos Ángulos Imágenes ObjetoDos

Espejos 30° 10Vela

encendidaDos

Espejos 45° 6Vela

encendidaDos

Espejos 75° 4Vela

encendidaDos

Espejos 90° 4Vela

encendida

Actividad 3

Espejos Ángulos Imágenes ObjetoDos

Espejos 30° 10 LápizDos

Espejos 45° 6 LápizDos

Espejos 75° 4 LápizDos

Espejos 90° 4 Lápiz

Espejos Objeto Sitio MedidaUn Espejo

PlanoMoneda 1 Al frente 2,5 cm

Un Espejo Plano

Moneda 2 Atrás 2,7 cm

ACTIVIDAD N° 7

Actividad 7Espejo Medida Cerca Lejos

Cóncavo 10 cm Nítido InvertidoDescripción

Invertido, borroso y sin forma

ACTIVIDAD N° 8

Actividad 8Espejo Medida Cerca Lejos

Convexo 10 cm Grande Pequeño

EVIDENCIAS

.ó

CONCLUSIÓN

Siguiendo con el estudio de ondas y óptica ahora nos interiorizamos en la óptica. En esta actividad nos enfocamos en el estudio de reflexión y refracción, leyes y características, comportamiento ante variados factores, donde además se realizó un estudio de los factores que influyen en la reflexión y refracción.

En este experimento en forma práctica vimos propiedades de los rayos reflejados sobre superficies distintas, aprendimos a determinar posiciones de objetos reflejados.

También estudiamos los elementos principales de un espejo. En esta sesión también utilizamos medios variados para analizar que lo que ocurre con un rayo al cambiar o pasar de un medio a otro donde varía la densidad de este. Además de la participación de cada uno de los integrantes del grupo en estas mediciones para discutir con experiencia diferencias que pudieran haber ocurrido.

Concluyendo podemos finalizar que aprendimos también a determinar índices de refracción y por lo mismo a definirlo operacionalmente, junto con el análisis de los ángulos crítico y de refracción.

Cabe destacar que con toda esta experiencia práctica uno enfrenta con mayor seguridad los temas de parte teórica.

Por ultimo este experimento nos sirvió para profundizar los conocimientos obtenidos en clases.

BIBLIOGRAFIA:

http://www.monografias.com/trabajos83/comprobacion-experimental-ley-snell/ comprobacion-experimental-ley-snell.shtml#ixzz3jIKeC7S7

http://www.buenastareas.com/ensayos/Ley-De-Snell/5410676.html http://www.monografias.com/trabajos83/comprobacion-experimental-ley-snell/

comprobacion-experimental-ley-snell.shtml#ixzz3jIkjybO8

http://html.rincondelvago.com/reflexion-y-refraccion_2.html

http://www.monografias.com/trabajos83/comprobacion-experimental-ley-snell/ comprobacion-experimental-ley-snell.shtml

https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Snell

http://users.df.uba.ar/mricci/F1(Q)2014/Practica%207-Optica.pdf