OBJETIVO: El objetivo principal de esta ... algunos componentes ópticos elementales (lentes, espejos, láminas planoparalelas y

Física Aplicada: Técnicas Experimentales Básicas
PRÁCTICA Nº 24
MARCHA 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:
 ' (D) =
1
f ' (m)
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 2 . En particular, si el ángulo de incidencia
en el espejo es   45 el rayo reflejado sale
perpendicularmente al incidente, 2 =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
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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
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.
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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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