Física Aplicada: Técnicas Experimentales Básicas

PRÁCTICA Nº 24MARCHA DE RAYOS

OBJETIVO:

El objetivo principal de esta práctica es visualizar la marcha de los rayos en algunos componentes ópticos elementales (lentes, espejos, láminas planoparalelas y prismas), observando cualitativamente diversos fenómenos que ocurren en aquellos. Si no se requiere una precisión excesiva, es también posible medir algunos parámetros ópticos de dichos componentes (potencias de las lentes, índices de refracción, etc.)

MATERIAL:

Fuente luminosa con soporte y carcasa. Fuente de alimentación. Diafragmas. Lentes. Espejos. Lámina planoparalela. Prismas.Todos estos componentes poseen fijaciones magnéticas para pegarlos a una base metálica.

FUNDAMENTO TEÓRICO:

La figura adjunta muestra un posible montaje de este dispositivo. Sobre la superficie de la base metálica que sostiene todos los componentes podrán visualizarse las trayectorias luminosas de los distintos rayos.

En los siguientes apartados se dan algunas indicaciones para el estudio elemental y por separado de lentes, espejos, láminas y prismas. Pueden realizarse también otras observaciones y construir otros sistemas ópticos con los elementos de que se dispone.

LENTES:

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Si se hace incidir el rayo del láser emergente sobre distintas lentes, se obtendrán haces emergentes convergentes o divergentes. Usando un calibre o una cinta métrica podremos medir aproximadamente la distancia focal imagen f' de las distintas lentes, sabiendo que, si las lentes son delgadas, la distancia focal imagen f' es la distancia desde la lente al plano focal imagen de la lente F' (plano donde convergen los rayos a la salida de la lente, o sus prolongaciones). Una vez estimada la distancia focal imagen f', calcule la potencia de las distintas lentes, teniendo en cuenta que se denomina potencia de una lente a la inversa de la distancia focal (medida en metros). La potencia se expresa en dioptrías y viene dada por:

Seleccione un solo rayo del láser y, haciéndolo incidir sobre la lente, observe el diferente efecto que tiene el desplazamiento de la lente (perpendicularmente al eje óptico) si es convergente o es divergente. Observe también que los rayos que pasan por el centro óptico de la lente no se desvían.

ESPEJOS:

Con el espejo plano y la ayuda de un transportador de ángulos (o una regla), puede verificar el cumplimiento de la ley de la reflexión. También puede comprobar que, si el espejo gira un ángulo , el rayo reflejado efectúa un giro de ángulo . En particular, si el ángulo de incidencia

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en el espejo es el rayo reflejado sale perpendicularmente al incidente, =90°.

Haciendo incidir un rayo láser sobre el espejo cóncavo, podemos observar que el foco imagen F' se sitúa aproximadamente a una distancia del vértice igual a la mitad del radio, como se sabe. Haga incidir sobre el espejo cóncavo distintos rayos paralelos al eje óptico, a diferente altura, y observe en qué punto(s) cortan los rayos reflejados al eje óptico del sistema.

Se propone también la comprobación de que un espejo cóncavo puede dar una imagen real o virtual de un objeto real, dependiendo de dónde se sitúe el objeto. Como objeto real puede usarse el foco imagen obtenido al interponer una lente convergente en la trayectoria del haz colimado inicial. Si dicho foco está próximo al vértice del espejo (concretamente, dentro de la distancia focal), se observará que el haz reflejado es divergente, o sea, la imagen que produce el espejo es virtual.

Finalmente, utilizando el mismo espejo curvo pero por el otro lado, pueden analizarse algunas de las características de la imagen producida por un espejo convexo. Comente las observaciones realizadas y analice toda la casuística.

LÁMINA PLANOPARALELA:

Haciendo incidir con un cierto ángulo un único rayo sobre una de las caras de la lámina planoparalela, puede observarse como experimenta dos refracciones consecutivas y el rayo finalmente emergente es paralelo al inicial. El efecto global de la lámina es por tanto un desplazamiento lateral t del haz incidente. Además de la refracción en cada una de las dos caras, podemos comprobar también que una parte de la luz se refleja en ambas caras.

Estudie cualitativamente cómo varía la traslación del rayo t con el aumento o disminución del ángulo de incidencia en la primera cara, ayudándose para ello de una regla o papel milimetrado.

PRISMAS:

Utilizando el prisma, puede observarse la desviación sufrida por un haz o un rayo incidente. Modifique el

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ángulo de incidencia de la luz sobre el prisma y compruebe que el rayo emergente no sale nunca por la cara que se indica en la figura; ¿podría dar alguna explicación a este hecho?

Mida los ángulos de entrada y de salida del haz y verifique que cumplen con las leyes de la reflexión y la refracción.OTROS SISTEMAS ÓPTICOS:

Los elementos de que dispone en esta práctica le pueden permitir realizar múltiples combinaciones y observar la marcha de rayos que se produce en algunos instrumentos ópticos clásicos: anteojo astronómico, anteojo de Galileo, microscopio compuesto, espectroscopio, etc. Elija un instrumento óptico cualquiera y observe y haga un esquema de la marcha de rayos en el mismo.

CUESTIONES:

1. Si un rayo paralelo al eje óptico incide en una lente y ésta se mueve perpendicularmente al eje óptico, el rayo emergente se desvía de forma distinta según que la lente sea convergente o divergente. Justifique teóricamente el motivo de este hecho, que puede observarse en la realización de la práctica.

2. Si todos los rayos incidentes paralelos al eje óptico de un espejo cóncavo no se cortan, tras reflejarse, en un único punto, ¿cómo podemos hablar del foco imagen de un espejo?

3. Si cree que se podría determinar el índice de refracción del vidrio de la lámina planoparalela usada con el material disponible en la práctica, indique cómo lo haría y las causas de error que afectarían a su medida.

4. ¿Podría construir un colimador con una lente divergente?. Justifique su respuesta.

5. Con la lámina planoparalela simule la reflexión total. Razone si, a partir de la medida del ángulo de reflexión total, se podría determinar el índice de refracción de la lámina planoparalela.

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