Laboratorio de física I
Laboratorio de Física I Práctica de Laboratorio Nº 5 Luz, Ley de la Distancia, Reflexión, Refracción, Espejos y Lentes. INFORME Integrantes Grupo 6: RAMÍREZ CARBAJAL, Eric Junior NOLASCO MEDRANO, Ángelo Joel Especialidad: Ing. Electrónica Profesor: Vela Saavedra, Emir Semana Fecha de realización: 06 de junio Fecha de entrega: 13 de junio 2013 - I
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1.- Introducción 2.- Objetivos
Comprobar experimentalmente que la intensidad de una onda luminosa disminuye con el cuadrado de la distancia a la fuente luminosa. Estudiar las imágenes formadas en un espejo plano. Deducir las leyes de la reflexión de la luz. Deducir las leyes de la reflexión y refracción de la luz. Calcular la magnificación de lentes. Ser capaz de configurar e implementar equipos para toma de datos experimentales utilizando como herramienta el software Logger Pro.
3.- Fundamento Teórico
Intensidad luminosa Cuando una fuente puntual emite luz con una potencia (P) constante y el medio de propagación es isotrópico y no absorbente de energía, los frentes de onda son esféricos. De este modo, la energía por unidad de tiempo (P) se distribuye uniformemente sobre el área de una superficie esférica de radio (r). Por ello, la intensidad de la onda (potencia media por unidad de área) resulta ser: I=
P 2 4 πr
Es decir la intensidad de la luz a una distancia dada r, será 1 proporcional al cuadrado de su radio r, la intensidad cariara como r 2 . Los campos eléctricos y gravitatorios también son funciones que responde a la ley de la inversa al cuadrado.
Laboratorio de física I Reflexión Al cambio de dirección que experimenta la luz al llegar a una superficie pulida se le llama reflexión. En casi cada momento de la vida diaria se encuentran experiencias que son 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 espejo por la luz reflejada sobre él. El principio o la ley de la reflexión de la luz, se aplica en las experiencias que se acaban de describir y en muchos otros. La ley de la reflexión 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 más corto” o dicho en otro modo “La trayectoria real entre los puntos tomados por su haz de luz es aquella que es recorrida en el tiempo mínimo. La reflexión especular se produce cuando la luz se refleja una superficie pulida como un espejo, mientras que cuando la reflexión se produce sobre una superficie rugosa se denomina reflexión difusa. En el caso particular de la reflexión especular (generalmente cuando se habla de reflexión se hace referencia a este tipo) se cumple lo que se denomina la ley de reflexión: θi=θi Que nos indica que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. El índice de refracción de un medio se define como: n=
velocidad de laluz en el vacio c = velocidad de laluz en un medio v
Ya que se sabe que la velocidad de la luz (v) cambia de acuerdo al medio en que atraviese, así también como la longitud de onda (λ) 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 (λ) de acuerdo con la siguiente relación:
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Refracción La refracción 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 se 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 siguiente regla que es conocida como la Ley de Snell (conocida en Francia como Ley de Descartes):
Lentes delgadas Una lente es un sistema refringente que consiste en dos o mas superficies de separación, 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 separación refringente. Una lente compuesta se forma de dos o mas lentes simples. Una lente delgada, compuesta o simple, es aquella en donde el espesor de los elementos no desempeña un papel importante y como tal es despreciable. La figura ilustra la nomenclatura asociada con las lentes esféricas simples.
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Se puede trazar la trayectoria que sigue la luz al pasar a través de ambas superficies de separación, cuando el espesor es realmente despreciable y además se trata solamente de rayos paraxiales, se puede demostrar que:
En donde, como de costumbre, n lm= nl/nm. Esta es la llamada ecuación de las lentes delgadas, que se conoce también como la fórmula del fabricante de lentes. Obsérvese que si S0 = °°, 1/f1se igual a la cantidad en el segundomiembro y lo mismo es cierto para 1/f 0 cuando Si = °°. En otras palabras, f0 = fi = f, donde:
Entonces la ecuación de las lentes puede replantearse en la forma que se conoce como formula de las lentes de Gauss:
Para calcular la magnificación o aumento usamos la ecuación:
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Una onda esférica que sale del punto S como lo muestra la figura 3.3.1 índice sobre lente positiva, esto, es una que es más gruesa en su centro que en sus bordes. La zona central del frente de onda es rebajada más que sus regiones exteriores y el frente en sí mismo queda invertido, convergiendo de aquí en adelante hacia el punto P. en forma más que razonable, un elemento de esta clase se llama lente convergente y la luz se dobla hacia el eje central debido a ésta. Como se muestra en la figura 3.3.2, la descripción anterior supone que el índice del medio, nm es menor que ni. Sin embargo, si n m>ni una lente convergente sería más delgada en su centro. Hablando en términos generales (nm
Figura 3.2.2. Lentes convergentes y divergentes.
4.- Materiales y equipos de trabajo:
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Computadora personal con programa Logger Pro instalado Interface Vernier Sensor de luz Fuentes luminosas Espejos y lentes Regla Alfileres Papel polar Tablero de corcho Agua
5.- Procedimiento
Primer Montaje Fig. 5.1.
Configuraremos el sensor con los pasos dados, luego de hacer el procedimiento inmediatamente la grafica cambiara a intensidad luminosa vs distancia. Seleccionaremos el sensor en el rango (0 – 600 lux) lo reconocerá pues sobre el sensor hay un rotulo indicador. La longitud inicial deberá ser de 10 cm, se tendrá en cuenta que la posición de la linterna tiene que estar paralelo a la regla. La luz del ambiente no deberá incidir sobre el sensor. Al empezar la grabacion de los datos haremos clic en CONSERVAR y se debera poner el valor de la longitud y así en cada valor que se seleccione. Para introducir otro valor hay que hacer nuevamente clic en CONSERVAR.
Laboratorio de física I Para finalizar se seleccionara el icono de color rojo PARAR que se encuentra al costado del icono CONSERVAR. Grabe con un paso de 5cm desde los 10 cm hasta los 40 cm. GRAFICA DEL PRIMER MONTAJE
5.1.1. Con los datos obtenidos determine la dependencia de la intensidad con la distancia. ¿Cuál ajuste escogería? ¿Por qué? La intensidad va disminuyendo. Se escogería el ajuste inversa al cuadrado, porque es cuadrática y va disminuyendo. 5.1.2. Anote los valores resultantes del ajuste que escogió.
5.1.3. ¿Qué es una fuente de luz isotrópica? Es aquella que emite uniformemente luz en todas direcciones.
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5.2. Reflexión de la luz usando la cubeta.
Figura 5.2.1. Esquema experimental Tabla 5.2.2 θl 10 20 30 40 50 60 70 80
θr 10 20 30 40 49.5 59.5 69 79
Er (%) 0% 0% 0% 0% 1% 0.83 % 1.43 % 1.25 %
5.2.3. ¿Cuál es la relación entre el ángulo de incidencia y el de reflexión para un espejo plano?
5.2.4. ¿Cuáles son los valores de los ángulos de incidencia y reflexión respectivamente?
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5.2.5. Algunos instrumentos de medición tiene espejos planos es la escala colocada detrás del índice. El observador debe tomar la lectura cuando el índice esta exactamente sobrepuesta su imagen en el espejo ¿Por qué con este procedimiento se obtiene lecturas más precisas?
5.2.6 Explique debido a que factores en nuestra experiencia el ángulo de incidencia no es exactamente igual al ángulo de reflexión.
5.3. Refracción de la luz usando la cubeta.
Colocar el recipiente semicircular de plástico lleno con agua, alinee la superficie plana con la línea correspondiente a 0°, haga coincidir el centro de esta cara plana con el origen del papel polar. Alinee el puntero laser a lo largo de una de las líneas para uno de los ángulos sugeridos en la tabla 5.2.2., active el puntero y diríjalo hacia el origen.
Figura 5.3.1. Esquema experimental. Tabla 5.3.1. (Aire – Agua)
Laboratorio de física I θi (°) θr (°) Sen θi Sen θr nagua
0 1 0 0.17 5 0
10 8 0.17 4 0.13 9 1.25
20 15.5 0.34 2 0.26 7 1.28 1
30 23 0.5 0.39 1.28 2
40 29.5 0.64 3 0.49 2 1.30 6
50 35.5 0.76 6 0.58 1 1.31 8
60 40.8 0.86 6 0.65 3 1.32 6
70 45 0.94 0.70 7 1.33
80 47 0.98 5 0.73 1 1.34 7
Observación: Considere que naire ≈ 1, y que la frecuencia no varía al pasar de un medio a otro. El subíndice “ref.” en la tabla 5.3.1. hace referencia al medio refractante.
Figura 5.3.2. Esquema experimental. Tabla 5.3.2. (Agua – Aire) θi (°) θr (°) Sen θi Sen θr nagua
0 1
10 14 0.174 0.242 1.39
20 27 0.342 0.454 1.327
30 42 0.5 0.67 1.34
40 60 0.643 0.866 1.346
48 90 0.743 1 1.346
Laboratorio de física I 5.3.3. Con los datos de las tablas 5.3.1 y 5.3.2 construya la grafica del ángulo de refracción en función del ángulo de incidencia, es decir, θ r = θr (θi)
7.- Observaciones: 8.- Conclusiones: 9.- Bibliografía:
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