Resumen

Hay una serie de fenómenos relacionados con la luz entre ellos tenemos la refracción que utilizamos continuamente, una herramienta para refractar la luz son los anteojos de corrección que sirven para curvar la luz que ayuda a ver bien a las personas.

La razón de este proyecto es entender el fenómeno de la refracción utilizando como experimento la desaparición de una moneda, esto sucede cuando la luz que proyecta la moneda llega a la superficie que separa el agua  del aire, el rayo sufre un cambio de dirección. Cuando el rayo de la moneda atraviesa el agua y el cristal, ya no es capaz de llegar a los ojos por lo que ocurre la ilusión óptica de que la moneda desaparece

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

Qué fenómeno hace que desaparezca la moneda cuando es colocada el agua en el vaso.

Antecedentes

¿Qué es la luz?

La Luz es una forma de energía que emiten algunos objetos. A estos objetos los llamamos fuentes luminosas.

Hay dos tipos de fuentes de luz:

– Naturales: como el Sol.

– Artificiales: como las bombillas. La mayor parte de las fuentes de luz artificiales funcionan con energía eléctrica.

La mayor parte de los objetos no son fuentes de luz, pero podemos verlos porque reflejan la luz que les llega desde las fuentes de luz.

Propagación de la luz

La Luz que sale de las fuentes luminosas se propaga en línea recta y en todas direcciones. Cada una de las líneas rectas en las que viaja la luz se llama rayo de luz.

La velocidad con que se propaga la luz depende del medio que atraviesa; no es igual en el aire que en el agua. La luz recorre alrededor de 300 000 kilómetros en un segundo.

Refracción de la luz es el cambio de dirección que sufre la luz cuando pasa de una sustancia transparente a otra. Ejemplo, el aire, a otro, como el agua.

Los rayos de luz que cambian de dirección se llaman rayos refractados.

La hipótesis de los rayos rectos luminosos no es la única hipótesis de la óptica geométrica. Para explicar el fenómeno de la reflexión de la luz es necesario suponer que la dirección de los rayos luminosos cambia en algunas circunstancias. Una imagen en un espejo se ve como si el objeto estuviera atrás, y no frente a éste. La óptica geométrica explica este familiar fenómeno suponiendo que los rayos luminosos cambian de dirección al llegar al espejo. La forma precisa en que ocurre este cambio se conoce como ley de la reflexión de la luz. Es una ley muy sencilla: los rayos incidente y reflejado hacen ángulos iguales con el espejo; o con la perpendicular al espejo, que es como suelen medirse estos ángulos. Esta ley, por cierto, también se puede deducir aplicando la ley de variación del tamaño aparente con la distancia para explicar los tamaños aparentes de un objeto y de su imagen en un espejo plano. O, dicho de otra forma, si vemos nuestra imagen en un espejo plano del tamaño que la vemos es porque los rayos incidente y reflejado forman ángulos iguales con el espejo.

Un cuerpo parcialmente sumergido en agua se ve chueco; como si se doblara al entrar al agua. Este fenómeno se llama refracción. Además del agua se observa en muchos otros medios transparentes, como el vidrio, llamados refringentes. Era uno de los problemas ópticos pendientes de solución todavía hacia el siglo XIII. Los fenómenos de refracción se incorporan a la óptica geométrica simplemente suponiendo que los rayos luminosos cambian de dirección no sólo al reflejarse sino también al pasar de un medio refringente a otro; por ejemplo, del agua al aire, o del agua al vidrio, o del vidrio al aire. Un experimento sencillo que demuestra este cambio de dirección se muestra con una moneda pequeña en el fondo de una taza vacía está apenas oculta por el filo de la taza.  Llenando lentamente la taza con agua la moneda aparece poco a poco, hasta observarse por completo.  Los rayos luminosos emitidos por la moneda que llegan al ojo debido a que son refractados en la superficie del agua se muestran en esa figura; la moneda se ve en la dirección de estos rayos. El experimento muestra también que los rayos refractados están más cerca de la superficie en el medio menos denso.

La forma precisa en que cambia la dirección de los rayos en la refracción, esto es, la ley de la refracción, no es tan simple como la ley de la reflexión. Tal vez por esto, aunque el fenómeno de la refracción era conocido desde la antigüedad, la ley de la refracción no fue descubierta sino hasta el siglo XV por el astrónomo holandés Willebrord Snell, quien, inexplicablemente, no la dio a conocer, describiéndola solamente en sus notas personales de investigación. La ley de la refracción fue divulgada por Descartes en 1627, pero se conoce universalmente como la ley de Snell. No relaciona los ángulos de los rayos luminosos con la perpendicular a la superficie de refracción, sino los senos de esos ángulos. En símbolos matemáticos se expresa así: sen (i) / sen (r’) = constante = n; esto es, el cociente de los senos de los ángulos de incidencia i y de refracción r’ toma el mismo valor para todos los valores posibles de estos ángulos. Por ejemplo, si los rayos pasan del aire al agua la cantidad constante n, llamada índice de refracción, vale 4/ 3 y se tiene sen (i) / sen (r’) = 4/ 3.

La ley de la refracción de la luz también puede ser deducida aplicando la ley de variación del tamaño aparente con la distancia. Un experimento donde se puede observar es con dos monedas pequeñas se ponen en dos tazas, una vacía y la otra parcialmente llena de agua. Observándolas desde arriba y a la misma altura, la moneda sumergida en agua se ve más grande debido a que por la refracción de la luz los rayos que emite se abren más al pasar por la superficie del agua y llegan al ojo como si hubieran sido emitidos por una moneda más cercana. De los tamaños aparentes de las dos monedas se deducen los ángulos que forman los rayos con la perpendicular a la superficie; el de los rayos refractados depende de la altura de llenado de la taza. Los senos de estos ángulos se obtienen de una tabla de valores y dividiendo el mayor entre el menor se encuentra que su cociente siempre es 4/ 3, el índice de refracción del agua; independientemente de la altura de llenado de la taza.

La hipótesis de los rayos luminosos y las leyes de la reflexión y de la refracción de la luz son el fundamento de la óptica geométrica. Con ellas es posible predecir el curso que tomarán los rayos luminosos que lleguen a lentes o a espejos. Por ejemplo, los rayos que llegan de un punto luminoso a la lente de una lupa común son divergentes, pero se hacen convergentes al atravesarla debido a las refracciones que ocurren en las dos superficies del vidrio. Después de alcanzar el punto de convergencia los rayos vuelven a ser divergentes, de manera que si los vemos desde un lugar más lejano aún, los percibimos como si se originaran en el punto de convergencia; es decir, como si el objeto hubiera sido transportado a ese lugar. Se dice que en este punto se forma una imagen real del objeto. Las leyes de la refracción permiten calcular el lugar preciso donde se forma esa imagen. Mirando con otra lupa en ese lugar se observa la imagen amplificada del objeto. Así es, esencialmente, como funciona un telescopio. Este instrumento utiliza dos lentes del tipo llamado convergente, parecidas a la de una lupa en que son más gruesas en medio que en la orilla. La primera de ellas —llamada objetivo— produce una imagen real de un objeto lejano, como la Luna, en un punto atrás y cerca de la lente. La segunda lente del telescopio, llamada ocular, se usa simplemente como una lente de aumento común para amplificar y observar esta imagen.

Resumiendo lo anterior, la óptica geométrica está compuesta por una hipótesis, la de los rayos rectos luminosos; por dos leyes derivadas de la experiencia, la de la reflexión y la de la refracción de la luz, y por una ciencia matemática, la geometría, con la que se puede aplicar metódicamente a los problemas ópticos. La óptica geométrica ha sido extraordinariamente fructífera por estar basada en leyes que se cumplen con precisión y en una ciencia tan completa como la geometría, pero parte de su éxito es resultado de su hipótesis principal. Es decir, aunque no se ha intentado siquiera aclarar de qué están hechos los rayos luminosos, deben estar hechos de algo que se propaga como esos rayos; de otra manera la teoría no habría tenido tanto éxito.

Isaac Newton suponía que los rayos luminosos están compuestos por partículas extraordinariamente diminutas que los cuerpos luminosos arrojan a gran velocidad y que al penetrar al ojo e incidir sobre la retina estimulan la visión. Newton apoyaba estas ideas en el fenómeno de la propagación rectilínea de la luz, pues sólo suponiéndola compuesta por partículas independientes podía imaginar que los rayos de luz pudieran ser separados unos de otros por medio de un popote, o de una lente convergente. Otro importante argumento que Newton daba en apoyo a esta idea era que la luz no da la vuelta a cuerpos opacos; o bien, que la sombra geométrica de un cuerpo está limitada por líneas rectas. Este argumento se esgrimía principalmente en contra de las ideas de Descartes, quien suponía que la luz era una «especie de presión» propagada alrededor de los cuerpos luminosos que al llegar al ojo estimulaba la visión. Pero, argüía Newton, una zona de presión como ésta no tendría por qué no propagarse alrededor de los cuerpos y entrar en la sombra geométrica; esto es, si la luz fuera causada por esas «zonas de presión», también debería percibirse en la sombra geométrica de cuerpos opacos.

Las ideas de Newton desembocaban también en importantes conclusiones al aplicarlas a la refracción de la luz. Esto intenta explicar la refracción estudiando el movimiento de una pelota de tenis. Debido a que la velocidad de la pelota es diferente en el agua que en el aire, la dirección de su movimiento cambia al atravesar la superficie; esto es, se refracta. Y se puede demostrar que si la velocidad en el agua es menor que en el aire el ángulo de refracción r’ es mayor que el de incidencia i, como aparece en esa figura. Pero en la refracción de la luz ocurre precisamente lo contrario, el ángulo de refracción es menor que el de incidencia al pasar del aire al agua, o al pasar a cualquier otro medio más denso como, por ejemplo, el vidrio. Es, entonces, inevitable concluir que, si estuviera compuesta por partículas, la luz sería más rápida en los medios más densos. En particular, debería ser más rápida en cualquier medio transparente que en el vacío. En tiempos de Newton (1642-1727) sólo era posible medir la velocidad de la luz por medios astronómicos y de ninguna manera en un laboratorio, como hubiera sido necesario para medirla en agua, o en vidrio, y comparar este valor con el ya conocido para el vacío. Por este camino, pues, no fue posible adentrarse en el conocimiento de la naturaleza de los rayos luminosos por muchos años.

En Italia —posiblemente mientras Newton desarrollaba su famosa Óptica o Tratado de la reflexiones, refracciones, inflexiones y colores de la luz— un jesuita italiano, Francesco Grimaldi (1618-1663), físico y astrónomo, quien en 1651 dio los nombres que hasta ahora conservan los accidentes del lado visible de la Luna, descubría un importante fenómeno óptico llamado por él mismo difracción de la luz. Este fenómeno se presenta siempre que de la luz emitida por una fuente se separa una fracción interponiendo un cuerpo opaco y esto es lo que da origen a su nombre: división en fracciones.

La difracción se puede observar interponiendo, justo frente a un ojo, una ranura muy estrecha recortada en una lámina opaca; o bien, una ranura formada por los filos de dos hojas de afeitar pegadas con durex sobre una ranura más ancha recortada en una tira de cartoncillo. Mirando solamente por este ojo una luz distante, por ejemplo la flama de una vela colocada a unos metros de distancia, esperaríamos percibir la imagen de la flama; sin embargo, si la ranura es suficientemente estrecha, se perciben varias imágenes. Esto, desde luego, tampoco es lo que esperaríamos de acuerdo con la óptica geométrica. Esto muestra las regiones geométricas de iluminación y de sombra producidas por una ranura. Si colocáramos el ojo justo en el origen de estas regiones los rayos de la región de iluminación pasarían al interior del ojo y formarían una imagen, y sólo una, de la flama de la vela; esto es lo que vemos por una ranura ancha. Las imágenes múltiples que se observan con la ranura delgada indican que, al pasar por la ranura, la luz forma varias regiones de iluminación a ambos lados de una región central iluminada que corresponde, más o menos, a la región geométrica de iluminación. El ojo forma imágenes con los rayos que recibe de cada una de estas regiones y las percibe.

El fenómeno de la difracción de la luz y otros análogos se observan más nítidamente en un cuarto oscuro y si en vez de la flama de una vela empleamos como fuente de luz un solo punto luminoso. Se consigue uno fácilmente pasando luz de la flama de una vela por un orificio pequeño perforado en un cartoncillo grueso, negro de preferencia. Mirando la luz de la vela que pasa por el orificio a través de la ranura de difracción colocada justo frente al ojo se observa un conjunto de bandas luminosas, de intensidad decreciente respecto a la más intensa del centro, que se llama patrón de difracción de una ranura.

El patrón de difracción de una ranura parece negar la propagación rectilínea de la luz. Si pensamos en la luz simplemente como si fueran rayos, sin importar su naturaleza, las imágenes laterales parecerían provenir de rayos desviados de la dirección de los rayos centrales; es decir, de rayos que habrían torcido su rumbo al pasar los filos de las hojas y penetrado en la sombra geométrica. El fenómeno de la difracción de la luz, por lo tanto, contradice la hipótesis de los rayos rectos; es decir, contradice la hipótesis de la propagación rectilínea de la luz. Parece que la luz, después de todo, sí puede dar la vuelta a los objetos opacos.

Si pensamos en la luz como rayos formados por partículas, o corpúsculos, el fenómeno de la difracción de la luz nos lleva también a consecuencias muy interesantes. Podríamos, por ejemplo, imaginar un sencillísimo experimento para medir el «tamaño» de tales partículas; simplemente pasaríamos luz, como la proveniente de una vela, por ranuras más y más estrechas hasta alcanzar una que apenas permitiera su transmisión. El diámetro de las «partículas de luz» sería apenas superior a la anchura de esta ranura. Sin embargo, observando la flama de una vela a través de ranuras de difracción de diferentes anchuras, o con una ranura estrecha de anchura variable, se encuentra que todas producen imágenes múltiples; esto es, se comprueba que no es posible encontrar una ranura que «apenas permita el paso de la luz»; para conseguir esto es necesario cerrar la ranura completamente. Las «partículas» que según Newton compondrían los rayos luminosos parecerían, pues, carecer de dimensiones definidas, ya que la luz pasa por las ranuras más estrechas. Este sorprendente resultado no demuestra, sin embargo, que la luz no está compuesta por partículas; sólo demuestra que, si lo estuviera, las partículas no serían como pequeñísimas canicas ni pelotas rígidas con dimensiones definidas.

Objetivo

Desaparecer una moneda para comprobar la teoría de la Refracción que permite ver una ilusión óptica por el cambio de velocidad entre los componentes.

Justificación

Experimentar el cambio de dirección de la luz cuando pasa de un medio a otro, por ejemplo del aire al agua y con esto demostrar que  cuanto mayor es la diferencia entre las velocidades de onda entre un medio y otro el cambio será mayor, la refracción la usamos todo el tiempo, una herramienta que utilizamos para refractar la luz son los anteojos, las lentes también se usan para curvar la luz en cámaras, fotocopiadoras y telescopios, usamos la refracción para ver cosas muy lejanas o cosas muy pequeñas que no vemos sin una ayuda como la del microscopio.

Hipótesis

• Si mandamos un rayo de luz en un recipiente con agua, al contacto con esta cambiara de dirección, originado por la disminución de la velocidad y densidad del agua.
• El ángulo de refracción del agua será diferente con otra sustancia por ejemplo el aceite por el cambio de velocidad.

Método (materiales y procedimiento)

Para la realización de este proyecto se necesitaron los siguientes materiales y procedimiento:

Materiales:

• Un Recipiente de cristal
• Una moneda
• Agua

Procedimiento:

Paso 1: Colocar la moneda sobre una superficie

Paso 2: Colocar recipiente de cristal sobre la moneda

Paso 3: Vaciar el agua en el recipiente

Paso 4: Observar el recipiente

Galería Método

Resultados

Con este experimento podemos ver la refracción de la luz, cuando el rayo de la moneda atraviesa el agua y el cristal ya no es capaz de llegar a los ojos por lo que ocurre la ilusión óptica de que la moneda desaparece.

La refracción ocurre con todo tipo de ondas cuando pasan de un medio a otro. Cuanto mayor es la diferencia entre las velocidades de onda entre un medio a otro el cambio será mayor.

Galería Resultados

Discusión

Conclusiones

La refracción ocurre con todo tipo de ondas cuando pasan de un medio a otro. Cuanto mayor es la diferencia entre las velocidades de onda entre un medio y otro, el cambio será mayor esto provoca que la moneda desaparezca por el desvió de la luz.

Bibliografía

http://www.portaleducativo.net/pais/mx/tercero-basico/780/La-luz-reflexion-y-refraccionhttp://es.slideshare.net/guest01db94/refraccin-de-la-luz-1896344http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/107/htm/sec_8.htm

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography