Actividad 1: Ángulo de refracción

Primero configura el simulador de la siguiente forma:

• Pulsa Reiniciar y desmarca Ver frente de onda
• Marca Ver normal
• Ángulo de incidencia = 45°
• Índice de refracción del medio 1 = 1.0
• Índice de refracción del medio 2 = 2.0

Habrás observado que la normal es una línea imaginaria perpendicular a la línea que marca la separación entre ambos medios. El ángulo de incidencia (i) es el ángulo que forma el rayo luminoso en el medio 1 con la normal. El ángulo de refracción (r) es el ángulo entre la normal y el rayo refractado en el medio 2.

1.- Pulsa Play para trazar el rayo. Para medir el ángulo de refracción, habilita el Transportador y arrastra el vértice del transportador a la intersección del rayo y la normal. Alinea los brazos del transportador con el rayo y la normal en el medio 2.

¿Cuál es el ángulo de refracción?

2.- Determina con el simulador el ángulo de refracción para cada ángulo de incidencia indicado en la tabla y luego rellena la columna Cambio de dirección restándole el ángulo de refracción al ángulo de incidencia en cada uno de los casos.

 

Ángulo de incidencia (i)	Ángulo de refracción (r)	Cambio de dirección (i-r)
20°
40°
60°
80°

 

3.- Indica qué patrones observas en tus resultados de la tabla anterior

4.- ¿Crees que se produciría refracción si el ángulo de incidencia fuera 0°? Explícalo.

5.- El índice de refracción nos indica la rapidez con que la luz puede viajar a través de un medio. Cuanto mayor sea el índice de refracción de un medio, más lenta viajará la luz a través de él. Explica cómo crees que se verá afectado el ángulo de refracción al aumentar el índice de refracción.

6.- Configura en simulador con los siguientes parámetros:

• Índice de refracción del medio 1 = 1.0
• Ángulo de incidencia = 60°

y completa la tabla siguiente:

 

Índice de refracción del medio 2	Ángulo de refracción	Cambio de dirección
1.0
2.0
3.0

 

7.- Indica los patrones que observas en los resultados de la tabla anterior.

8.- Explica por qué no se produce refracción cuando los medios tienen el mismo índice de refracción.

9.- Configura en simulador con los siguientes parámetros:

• Índice de refracción 2 = 1.0
• Ángulo de incidencia = 25°

y completa la tabla siguiente:

 

Índice de refracción del medio 1	Ángulo de refracción	Cambio de dirección
1.5
2.0
3.0

 

10.- Contesta a estas preguntas:

• ¿Qué has observado en el cambio de dirección en los dos primeros ensayos?
• ¿Qué ocurrió en el tercer caso?

Cuando el ángulo de refracción es mayor de 90°, el haz de luz se reflejará en la superficie en lugar de refractarse. Esto se llama reflexión interna total.

Actividad 2: Ley de Snell

A mediados del siglo XVII, el científico holandés Willebrord Snell van Royen (1580-1626) experimentó con la refracción de la luz y determinó la relación entre el ángulo de incidencia, el ángulo de refracción y los índices de refracción de dos medios.

1.- Utiliza el simulador para configurar tres escenarios diferentes y rellena las 4 primeras columnas de la tabla siguiente (de momento deja en blanco las dos últimas):

 

Índ. de refracción 1 (n1)	Índ. de refracción 2 (n2)	Áng. de incidencia (i)	Áng. de refracción (r)	n1(sen i)	n2(sen r)

2.- Ahora realiza los cálculos necesarios y rellena las dos últimas columnas de la tabla anterior.

3.- Analiza los resultados que has obtenido en las dos últimas columnas:

• ¿Qué observación haces sobre los dos valores para cada caso?
• Escribe una ecuación que muestre la relación entre los dos valores:

La ecuación que has obtenido se conoce como ley de Snell y se puede utilizar para determinar el índice de refracción de un medio, el ángulo de incidencia o el ángulo de refracción.

4.- Ejercicio: Un haz de luz con un ángulo de incidencia de 60° viaja a través de un medio con un índice de refracción de 1.7. La luz entra en un segundo medio y tiene un ángulo de refracción de 37°. ¿Cuál es el índice de refracción del segundo medio? (Usa el simulador para comprobar tu respuesta.)

Actividad 3: Velocidad de la onda

Una onda se puede describir por su longitud de onda y su frecuencia (o número de ondas producidas en un intervalo de tiempo determinado). La velocidad de una onda es igual al producto de la longitud de onda y la frecuencia:

$$v = \lambda \cdot f$$

La longitud de onda y la frecuencia son las claves para entender por qué se produce la refracción.

Vamos a experimentar para comprender por qué la luz cambia de dirección cuando entra en un medio con un índice de refracción diferente.

1.- Vamos a usar el simulador para medir la velocidad de una onda en diferentes medios:

• Ponemos el índice de refracción de ambos medios en 1.0
• Marca la Regla y el Cronómetro
• Pulsamos Play y cuando el rayo alcance el medio 2 pulsamos Pausa
• Usa la Regla para medir la distancia recorrida por el rayo de luz y anótala en la tabla. (Nota: el simulador no usa unidades, por lo que no es necesario registrar unidades en la tabla).
• Anota el tiempo transcurrido en la tercera columna.

A continuación, repite el proceso para los índices de refracción de 2.0 y 3.0.

 

Índice de refracción	Distancia (d)	Tiempo (t)	Velocidad de la onda ($\frac{d}{t}$)	Relación de velocidades
1.0
2.0
3.0

 

2.- Calcula la velocidad de la onda dividiendo la distancia entre el tiempo y anota el resultado en la cuarta columna de la tabla.

3.- Calcula la relación de velocidades dividiendo la velocidad en el medio con un índice de refracción de 1.0 entre la velocidad registrada en cada fila y anota en la tabla los resultados. Observa que el primer valor de la última columna será 1 porque vas a dividir la primera velocidad por sí misma.

4.- ¿Cuál es la relación entre el índice de refracción y la relación de velocidades?

5.- Basándote en tus observaciones explica cómo varía la velocidad de una onda a medida que aumenta el índice de refracción.

6.- Ahora vamos a medir la frecuencia de una onda.

• Desmarca la Regla y activa Ver frente de onda
• Pulsa Reiniciar y pon la Rapidez de la animación al mínimo
• Pon el índice de refracción de ambos medios en 1.0 y el ángulo de incidencia en 1°

Pulsa Play y cuando hayan pasado 2 unidades de tiempo pulsa Pausa. Cuenta el número de frentes de onda y anótalo en la tabla siguiente. Repite el proceso poniendo en 2.0 el índice de refracción de ambos medios y luego en 3.0.

 

Índice de refracción:	1.0	2.0	3.0
Número de frentes de onda:

 

7.- ¿Cómo afecta el índice de refracción a la frecuencia?

8.- Habrás observado que cuando una onda pasa a un medio con un índice de refracción más alto, se ralentiza. ¿Qué causa que la onda se frene, un cambio su la longitud de onda o un cambio en su frecuencia?

9.- Utiliza lo que has aprendido sobre la velocidad de las ondas y su diagrama para explicar por qué las ondas cambian de dirección cuando entran en un medio de diferente índice de refracción.