Refracción
La refracción es la "curvatura" de la luz (o de cualquier onda electromagnética) cuando pasa por un medio diferente.
Cuando las ondas electromagnéticas entran en un medio diferente, la rapidez cambia. La frecuencia permanece igual, por lo que la longitud de onda debe cambiar.
Esto hace que las ondas cambien de dirección (excepto cuando se mueven directamente hacia adelante):
Mira cómo cambia la distancia entre los pulsos (la longitud de onda), pero la frecuencia de los pulsos permanece igual.
Nota: la dirección "directamente hacia adelante" se llama Normal.
Está en ángulo recto con la superficie.
Moviéndose a un medio más denso
El ángulo va hacia la normal al entrar en un medio más denso.
Imagínate marchando en formación:
Y luego pasar de un terreno llano a una colina
El ritmo se ralentiza en un lado primero,
y para mantenerse en las filas, la dirección debe cambiar un poco.
Pero la dirección sigue siendo la misma al marchar directamente
cuesta arriba.
Ir a un medio menos denso
El ángulo se aleja de lo normal al entrar en un medio menos denso.
Aquí vemos la entrada y salida de un medio más denso:
Hacia la normal al entrar en un medio más denso.
Alejándose de la normal al ir a un medio menos denso.
¡Y como vuelve al mismo medio, retoma el mismo ángulo!
Y aquí está en la vida real, un rayo de luz que se refracta
en un bloque de plástico.
El
plástico es más denso, por lo que la luz cambia hacia
la normal al entrar
y se aleja de la normal
al salir.
Cortesía del usuario de Wikipedia ajizai
Y las diferentes formas crean efectos interesantes:
Los rayos se amontonan alrededor del borde
Nuestros ojos usan la refracción para enfocar la luz entrante en la parte posterior de nuestro ojo:
La luz se refracta a medida que atraviesa nuestros globos
oculares.
Eso enfoca los rayos de luz en la parte posterior de nuestro ojo,
donde los nervios detectan los fotones.
Sí,
la imagen está al revés, ¡pero nuestro cerebro se las arregla!
Índice de refracción
La relación entre la rapidez en el vacío y la rapidez en el medio se denomina índice de refracción:
n = c v
dónde
- n es el índice de refracción
- c es la rapidez de la luz en el vacío y
- v es la rapidez de la luz en el medio
¡Un índice de refracción mayor indica una rapidez más baja!
Ejemplo: el índice de refracción del agua es 1.333
Entonces, la luz viaja 1.333 veces más lento en el agua que en el vacío
- Velocidad en vacío: 300.000 km/s
- Velocidad en el agua: 300.000 km/s ÷ 1.333 = 225.000 km/s
Algunos valores del índice de refracción:
| Medio | Velocidad en millones m/s |
Índice de refracción n |
|---|---|---|
| Vacío | 299.8 | 1 |
| Aire | 299.7 | 1.0003 |
| Hielo | 228 | 1.31 |
| Agua | 225 | 1.333 |
| Etanol | 220 | 1.36 |
| Vidrio | 205 | 1.46 |
| Aceite de oliva | 204 | 1.47 |
| Diamante | 123 | 2.42 |
El alto índice de refracción del diamante hace que la luz rebote en el interior de formas interesantes.
Cuando los expertos lo cortan en la forma correcta, brillará.
Ángulo crítico
A partir de un cierto ángulo (el ángulo crítico), ¡el rayo comienza a apuntar hacia adentro!
El resultado es que la luz, en lugar de refractarse, se refleja.
Se llama Reflexión Interna Total:
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| Refracción | Ángulo crítico | Reflexión interna total |
Ejemplo: agua a aire
Cuando miramos desde el agua hacia el aire, vemos el mundo sobre el agua como un cono de aproximadamente 96°. (Generalmente vemos los 180° de horizonte a horizonte)
Fuera de ese cono de 96° hay un reflejo (mucho más oscuro) del agua de abajo:
Buzo de la Marina de 2da clase Ryan Arnold visto desde
abajo
Ten en cuenta también que la superficie del agua no es plana, por lo que causa un efecto ondulado local.
Juega con esta idea:
Prueba el índice de refracción 1 = 1 , el índice de refracción 2 = 1.33 , "Abajo" y "Ojo" para crear ese efecto de mirar hacia arriba desde el agua.
La ley de Snell
¿Cómo calculamos los ángulos? Usamos la Ley de Snell:
n1 sin(θ1) = n2 sin(θ2)
Funciona hasta el ángulo crítico, después de eso es simple reflexión:
| n1sin(θ1) = n2sin(θ2) | n1sin(θcrit) = n2 | θ1 = θ1 | ||
| porque sin(90°)=1 | cuando θ1 > θcrit | |||
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| Refracción | Ángulo crítico | Reflexión interna total |
Ejemplo: ¿Cuál es el ángulo crítico entre el aire y el agua?
El índice de refracción del aire es 1.003 y el del agua es 1.333
El ángulo crítico ocurre cuando θ2 es 90°So θcrit = 48.8°
Es posible que prefieras esta forma de la Ley de Snell, que se obtiene dividiendo ambos lados por sin(θ1) y n2:
n1 n2 = sin(θ2) sin(θ1)
(Sin embargo, ten cuidado: los subíndices de n van "1 sobre 2", pero los subíndices de sin () van "2 sobre 1").
¡Refuerza tu aprendizaje resolviendo los siguientes retos sobre este tema! (Nota: están en inglés).
