Quinta semana de clase de física grado undécimo

Reflexión y Refracción de la Luz

La luz se encuentra sometida, como cualquier otra onda, a los fenómenos de reflexión y refracción. En este apartado vamos a estudiar la reflexión de la luz y la refracción de la luz haciendo uso de la aproximación de rayos.

Cuando un rayo de luz se propaga en un medio transparente y llega a una superficie de separación con otro, también transparente, una parte sigue propagándose en el mismo medio, es decir, se refleja. Otra parte pasa al otro medio, es decir, se refracta. En esta imagen el haz de luz parte del foco abajo a la derecha. Al llegar a la superficie del líquido, además de continuar su camino hacia arriba por el aire refractándose, "rebota", es decir, se refleja de nuevo hacia abajo.

Reflexión

La reflexión de la luz es el cambio de dirección de los rayos de luz que ocurre en un mismo medio después de incidir sobre la superficie de un medio distinto. Se rige por dos principios o leyes de la reflexión:

• El rayo incidente, el reflejado y la normal a la superficie en el punto de incidencia están en el mismo plano

• El ángulo del rayo incidente iˆ  y el de reflexión rˆ  son iguales

  iˆ=rˆ

El ángulo que forman el rayo incidente y el reflejado con la normal a la superficie de separación (en color rojo) es el mismo.

En la reflexión no cambia la velocidad de la luz v, ni su frecuencia f, ni su longitud de onda λ.

Atendiendo a las irregularidades que pueden existir en la superficie de reflexión, podemos distinguir dos tipos de reflexiones de la luz:

• Reflexión especular: Se produce cuando las irregularidades del medio son pequeñas en comparación con la longitud de onda de la luz incidente y se proyectan varios rayos sobre este.
• Reflexión difusa: Se produce cuando las irregularidades del medio son de un orden de magnitud comparable al tamaño de la longitud de onda de la luz incidente y se proyectan varios rayos sobre este

Reflexión especular y difusa

A la izquierda, la reflexión especular en la que los rayos se mantienen paralelos tras producirse la reflexión. A la derecha, la reflexión difusa donde los rayos se entrecruzan unos con otros en todas direcciones.

Refracción

La refracción de la luz es el cambio de dirección de los rayos de luz que ocurre  tras pasar estos de un medio a otro en el que la luz se propaga con distinta velocidad. Se rige por dos principios o leyes de la refracción:

• El rayo incidente, el refractado y la normal a la superficie en el punto de incidencia están en el mismo plano

• La ley de Snell de la refracción, que marca la relación entre el ángulo de incidencia iˆ , el de refracción rˆ , y los índices de refracción absolutos de la luz en los medios 1 y 2, n₁ y n₂, según:

  sin(iˆ)sin(rˆ)=n2n1

La refracción de la luz ocurre cuando esta pasa de un medio transparente con un determinado índice de refracción a otro, también transparente, con uno distinto. Observa, en la imagen de la izquierda, que cuando la velocidad de propagación en el nuevo medio es menor, y por tanto es mayor el índice de refracción, el rayo se acerca a la normal. En la imagen de la derecha vemos el caso contrario, en el que el rayo se aleja de la normal.

No confundas el ángulo rˆ  en los casos de reflexión y refracción. Hemos optado por darles el mismo nombre ya que lo habitual es que te centres en uno u otro fenómeno. Si vas a resolver un ejercicio en el que tengas que estudiar ambos a la vez, te recomendamos que cambies el nombre a cualquiera de ellos. Ten presente que el rayo reflejado permanece en el medio del rayo incidente. El rayo refractado, en cambio, pasa a uno distinto.

Por otro lado, observa que a partir de las relaciones que se establecen entre el índice de refracción absoluto y el relativo podemos escribir:

sin(iˆ)sin(rˆ)=n2n1=[1]v1v2=n2,1[1] n=cv

Donde v₁ y v₂ es la velocidad de la luz en los medios 1 y 2 respectivamente y n_2,1 es el índice de refracción relativo del medio 2 respecto al 1.

En la refracción no cambia la frecuencia de la luz f, ya que esta depende de la fuente, pero al hacerlo su velocidad v, debe cambiar también su longitud de onda λ. Dado que el color con el que percibimos la luz depende de la frecuencia, este no cambia al cambiar de medio.

Recuerda que el índice de refracción depende de la longitud de onda, por lo que cuando un pulso de luz es policromático (está compuesto por varias longitudes de onda), al refractares se produce la dispersión que veremos en un apartado posterior.