Reflexión Total
31 Mar, 2013
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PDFFonte de luz
PRESENTACIÓN: Cando a luz viaxa cara á superficie de separación cun medio de índice refracción menor pode ocorrer que a luz se reflicta totalmente. Este fenómeno é o fundamento de calquera confinamento da luz nun medio: fonte luminosa, fibra óptica, endoscopio, boroscopio,…
- A Demonstration of the Critical Angle Without Using Total Internal Reflection, Barret R. Viss and Arnold E. Sikkema, Phys. Teach. 43, 471 (2005)
- A surprising demonstration of total internal reflection, B. F. Melton, Phys. Teach. 29, 539 (1991)
INTRODUCIÓN: A reflexión total da luz é un fenómeno importante pois no seu uso baséase a fibra óptica, material moi utilizado hoxe en día pola súa gran eficacia no campo das telecomunicacións. A reflexión interna total utilízase en fibra óptica para conducir a luz a través da fibra sen perdas de enerxía.
OBXECTIVO: Demostrar a existencia da reflexión interna total nunha superficie de separación auga-aire.
MATERIAIS: Unha botella de plástico, un láser, auga e leite, un punzón.
MONTAXE: Cunha botella chea de auga, metémola no conxelador, para que nos sexa máis fácil perforala e o buraco quede mellor (tendo coidado coa cantidade de auga para que esta non rebente). Unha vez feito isto a desconxelamos e enchemos de auga cun pouco de leite, o motivo de enchela de leite é que é unha suspensión, polo que o raio cando a atravesa choca coas partículas en suspensión e podemos ver a luz. Chegados a este punto a montaxe estaría concluído e listo para ser utilizada. A reflexión total da luz dáse cando a luz, estando nun medio cun índice de refracción n1, tenta atravesalo para pasar a un medio cun índice de refracción n2, menor que o primeiro. Este fenómeno só prodúcese para ángulos de incidencia superiores a un certo valor crítico, θc:
θc=arcsen[n2/ n1]
A reflexión interna total ocorre en raios que viaxan dun medio cun alto índice de refracción cara a medios de menor índice de refracción. No caso do proxecto da auga n1 =1,33 ao aire n2=1,00.
CONCEPTOS: reflexión total interna, índice de refracción, ángulo crítico.
MÁIS INFORMACIÓN:
TEXTOS:
- R. Serway, Física, Mac Graw Hill, 2010.
- P. Tipler, Física para la Ciencia y la tecnología, Reverté, 2012.
- R. Ehrlich, Turning the World Inside Out and 174 Other Simple Physics Demonstrations, Princeton University Press, 1997.
ALUMNADO 2011-2012: Álvaro Gamundi, Noelia Rodríguez, Darío Silva
ENLACE pdf ALUMNADO (en castelán):
ALUMNADO 2010-2011: Raquel López, Daniel López, Mar López
ENLACE pdf ALUMNADO (en castelán):
33 responses to "Reflexión Total"
El concepto de reflexión total va ser muy útil a la hora de entender como nos llega a casa la información a través de la fibra óptica. Aquí dejo un vídeo donde explica de forma detallada el concepto físico y como es el proceso de transferencia de información a través de la fibra óptica. También apuntar que el uso más frecuente de la fibra óptica en las comunicaciones es debido a sus múltiples ventajas, por ejemplo:
– Permite flujos de información elevados debido a su banda de paso muy ancha.
– Ocupa poco espacio.
– Facilidad de instalación debido a su flexibilidad y ligereza.
– Buena calidad de transmisión ya que no le afectan las perturbaciones de origen electromagnético.
– Gran seguridad: la intrusión en una fibra óptica es fácilmente detectable por el debilitamiento de la energía lumínica en recepción, además, no radia nada, lo que es particularmente interesante para aplicaciones que requieren alto nivel de confidencialidad.
La “reflexión total” es una propiedad física muy útil para entender diversos funcionamientos de nuestra vida cotidiana. A partir de la fibra óptica, se han llevado a cabo diversas aplicaciones, tanto en el ámbito militar, como arqueológico e incluso en la medicina. En este último campo, una de las ventajas del uso de la fibra óptica es en técnicas endoscópicas clásicas las cuales están siendo sustituidas por sistemas denominados “fibroscopios”. Como se ha comentado antes, este aparato es utilizado para realizar endoscopías que transmiten la imagen a través de una fibra de vidrio en haces paralelos con una lente y un ocular en cada uno de sus extremos (se desarrolló en EE.UU en la década de 1960).
Adjunto un enlace bastante completo sobre los principio físicos, funcionamiento, etc. de la fibra óptica y fibroscopio.
Hablando de la reflexión total, me gustaría resaltar la siguiente curiosidad, pues yo siempre pensé que los espejismos eran ilusiones mentales debidas a la desesperación, un espejismo es una ilusión óptica debida a la refracción de la luz, originada cuando ésta atraviesa capas de aire de distinta densidad, así objetos lejanos ofrecen una imagen invertida como si se reflejasen en el agua, o bien aparecen flotando en el aire o sobre la superficie del mar.
Os recomiendo visitar la siguiente web donde se explica detalladamente este fenómeno de reflexión total para distintos tipos de espejismos.
De hecho suceden las dos cosas, por que las personas que ven los espejismos en los desiertos, creen ver agua, pero debido a la deseperacion provocada por la sed tambien ven arboles, lo cual es una ilusión mental.
La endoscopia ha tenido un elevado impacto en la evolución de la medicina, especialmente en el área de la Gastroenterología, siendo una herramienta importante en la prevención, diagnóstico y tratamiento de numerosas enfermedades. Los endoscopios son dispositivos que se emplean en la medicina, en la producción industrial y también en la investigación. A menudo se encuentran conectados a una fuente de luz de gran intensidad luminosa y, desde hace poco, están provistos de una fuente de luz LED integrada. De este modo es posible iluminar e inspeccionar lugares de difícil acceso y caracterizados por presentar rincones, ángulos y fibras ópticas.
Nun DIAMANTE tallado deseñado para que os ángulos permitan ao máximo a vantaxe da reflexión interna total, as caras interiores actuarán como espellos dentro da pedra e a maior parte da luz que entre pola parte superior será reflectida totalmente, provocando os destellos.
Un video interesante, la verdad es que la reflexión total es algo que a los alumnos les cuesta entender. En el enlace podemos ver un video que me ha parecido también muy interesante sobre la reflexión total y creo que muy bien explicado.
La reflexión interna total es un fenómeno que se da cuando la luz pasa de un medio ópticamente más denso a otro menos denso, provocando que el rayo de luz no sea capaz de atravesar la superficie entre ambos medios y se refleja completamente, propagándose por el medio más denso. En el enlace que se muestra a continuación hay una explicación sobre este fenómeno utilizando un chorro de agua, a través del cual se propaga el haz de luz.
Es importante que los alumnos conozcan este concepto ya que afecta a su vida diaria, pues la fibra óptica por ejemplo se basa en este fenómeno.
El experimento que aparece en los vídeos es digno de ver, y “prima facies” parece simple de realizar en cualquier lugar. Aunque no lo he realizado la prueba, parece que no tiene porqué ser una botella de plástico ni agua, podrían utilizarse otros materiales y diseñar el experimento de otra forma, ya que por lo que he visto los requisitos son que la luz pase de un medio más denso hacia un medio menos denso, y que el ángulo de incidencia sea mayor que el ángulo crítico. Incluso podría realizarse un experimento incumpliendo estas dos exigencias y que sean los alumnos los que traten de deducir porque en un caso funciona y en el otro no. En cualquier caso, para profundizar un poco más en este tema he encontrado el siguiente enlace que puede ser de ayuda (está en inglés, pero entiendo que hoy en día esto no es un obstáculo para nadie). Además, en el enlace aparecen algunos problemas para resolver, que permitirán comprobar si realmente se han comprendido los conceptos.
La experiencia permite mostrar de forma sencilla el fenómeno de la reflexión total interna. Se produce cuando un rayo de luz alcanza una superficie de separación entre un medio ópticamente más denso y otro menos denso, se refracta de forma que no es capaz de atravesar esa superficie y se refleja totalmente, propagándose por el medio más denso. Como ya se indicó en otros comentarios, este fenómeno físico es la base de la fibra óptica, un material con multitud de aplicaciones que van desde las telecomunicaciones a la endoscopía, la cual se utiliza en cirugía o en arqueología. Una de las aplicaciones más en boga actualmente son los sensores de fibra óptica, que permiten detectar fugas en oleoductos o gaseoductos o prevenir deslizamientos de tierra que afecten a carreteras. En este artículo se describe una de las aplicaciones más recientes de este tipo de sensores, como es la detección de problemas estructurales en puentes, presas o vías férreas.
A reflexión total é un fenómeno moi importante no desenvolvemento tecnolóxico actual, tanto que se usa na fibra óptica para conducir a luz a través da fibra sen perdas de enerxía. Nunha fibra óptica o material interno ten un índice de refracción mais grande que o do material que o rodea. O ángulo da incidencia da luz é crítico para a base e o seu revestimento produce unha reflexión interna total que preserva a enerxía transportada pola fibra.
Aquí podemos ver unha pequena imaxe esquemática deste fenómeno.
La actividad sobre reflexión total es muy impactante visualmente y se puede utilizar para explicar conceptos sobre ángulos e índices de refracción, además de para ilustrar los distintos usos de las propiedades ópticas (como ocurre con la fibra óptica). Los haces de luz se reflejan totalmente al no ser capaz de pasar de un medio a otro menos denso, de manera que la luz se mantiene reflejada en el medio más denso (el agua). Algunas aplicaciones permiten conocer el ángulo crítico de reflexión interna total dependiendo de los índices de refracción de los medios y el ángulo de incidencia, como la siguiente.
Actividad manipulativa muy vistosa con la que se puede explicar conceptos básicos como la reflexión y la refracción de la luz (vídeo explicativo), a la vez que explicar a los alumnos como funcionan tecnologías de uso cotidiano, como es la fibra óptica, tal y como ya se ha mencionado en múltiples comentarios anteriormente.
El periscopio está formado básicamente por un prisma de reflexión total situado en su parte superior, el cual refleja la imagen que es recogida por una lente objetivo, llegando a una segunda lente. Por último, la imagen es reflejada hacia una lente ocular por un segundo prisma también de reflexión total que se encuentra en la base del periscopio.
Este instrumento proporciona una visión de un lugar determinado desde una posición oculta. El desarrollo del periscopio posibilitó la navegación con el submarino, permitiendo ver la superficie del mar mientras éste se encuentra sumergido.
Gústame o exemplo da fibra óptica e a maneira de transmitir información a través da luz en lugar de impulsos eléctricos. A lei de Snell describe a refracción, tal que o raio refractado se hacha no plano de incidencia e a relación entre os ángulos de incidencia e refracción cumpre n₁ sinθ₁ =n₂ sinθ₂, sendo n o índice de refracción e θ o ángulo de incidencia. No recurso mostran unha animación utilizando un vidro variando o ángulo de incidencia e así medir o índice de refracción do vidro.
O segundo vídeo é precioso, a verdade. Vénseme a cabeza simplemente que estaría ben puntualizar que aínda que os raios de luz aparecen atrapados na auga, en realidade nós os estamos vendo! Que é o que esta a pasar? Pois que unha parte pequena da luz queda espallada ou dispersada (scattered) en múltiples direccións e por eso acabamos vendo o raio aínda que a maior parte dos fotóns están atrapados debido á reflexión total interna.
Outra reflexión que merece a pena comentar é que este fenómeno de reflexión total interna (e tamén toda a óptica xeométrica) pódese aplicar a distintas lonxitudes de onda se o medio é lineal. Así, podemos atopar reflexión total no xeo a frecuencias de radio, no rango dos MHz e GHz. De feito, esta reflexión total tense que ter en conta para a detección de neutrinos en xeo non homoxéneo con ondas de radio, como comentamos (disculpen o autobombo) no exemplo 2 do seguinte paper. Pódese consultar tamén a versión do arXiv.
Experiencia muy útil para apoyar las explicaciones sobre el funcionamiento de la fibra óptica. Hoy en día esta tecnología ya está extensamente instalada en el mundo de las comunicaciones y la transferencia de información. En los primeros momentos de su implantación y uso supuso un cambio abrumador en la velocidad de transferencia de datos. Por este motivo y por haber significado una revolución tan importante en su campo es necesario que los alumnos comprendan su funcionamiento lo antes posible y lo más claramente posible. Esto les facilitará la tarea de entender o desarrollar tecnologías más avanzadas en el futuro. En el siguiente enlace podéis encontrar información sobre como es y como se fabrica la fibra óptica que usamos hoy en día.
Un experimento muy visual y atractivo para realizar en secundaria. También puede mostrarse con un pequeño láser y un tubo plástico cómo aparece en el esta web. Además de en el campo de comunicaciones, sin duda el de más impacto la fibra óptica se emplea en sensorización, iluminación e instrumentación así cómo en aplicaciones de procesado de materiales, por ejemplo se utilizan en equipos láser de alta potencia para soldadura robotizada en automoción, entre otras.
Este experimento, aparte de muy visual y atractivo para el alumnado, es un buen ejemplo para explicar como funciona la fibra óptica.
Pensei no mesmo cando o vin, pero diría que ten unha pequena diferencia coa fibra óptica, e é que na fibra so se ve a luz o final do extremo, e neste caso si que se pode apreciar a luz por dentro do “fío” de auga
La reflexión total también explica el funcionamiento de los prismáticos un objeto común del que probablemente muy pocas personas conocen su funcionamiento.
La verdad es que esta publicación me animó a investigar más sobre fenómenos que sean de aplicación gracias a los conocimientos de reflexión interna total, ya que desconocía su relación con la fibra óptica. En esta web encontré algunos ejemplos de este fenómeno en la vida cotidiana.
Experimento estupendo para introducir en aignatura tecnológicas el funcionamiento de la fibra óptica que usamos para transmitir información. La reflexión de la luz en una fibra óptica se produce cuando los rayos de luz inciden sobre la superficie de la fibra. Esto se debe a que los rayos de luz tienen un índice de refracción diferente al del material de la fibra. Esto provoca que los rayos de luz se reflejen en la superficie de la fibra, en lugar de atravesarla.
La reflexión interna total se produce en a fibra óptica, tal como nos indican en la introducción del experimento. Sería interesante realizar dicho experimento con fibra óptica en el aula. En el siguiente enlace se puede observar una pequeña explicación, así como una calculadora para conocer el ángulo crítico a partir del cual se produce el fenómeno de reflexión interna total.
Muy buena la relación de la reflexión interna total y la fibra óptica, pero diariamente también observamos, en los amaneceres o puestas de sol sobre el mar, como el reflejo del sol se observa siempre delante de tí, es decir, 2 personas, cada uno en una punta de la playa, observan delante suya, el reflejo del sol sobre el mar.
Ver en este experimento como un rayo de luz alcanza una superficie de separación entre un medio ópticamente más denso y otro menos denso y se refracta de forma que no es capaz de atravesar esa superficie y se refleja totalmente, propagándose por el medio más denso.
En esta experiencia se muestra de forma sencilla el fenómeno de la reflexión total interna.
Desconocía que la tecnología de la fibra óptica se basara en el concepto de reflexión total, he estado viendo los vídeos enlazados al proyecto y me ha resultado muy sencillo entender el fenómeno. Es genial poder llevar a experimentos sencillos técnicas que muestran el día a día de la tecnología que nos rodea.
Es llamativo ver el efecto de reflexión de la luz conducido por el agua. Muy visual el vídeo en el que van moviendo los distintos colores, haciendo formas dentro del agua y a medida que aumenta el ángulo el haz de luz sale del agua y se proyecta por el aire.
Muy aplicable en las gastroscopias y colonoscopias, dónde el canal es estrecho y la visión fundamental para descarte o diagnóstico.
Pues si, se ve muy claro en el video el efecto de la reflexión conducido por el agua. Importante éstos experimentos para mostrar al alumnado. Además como bien dice la compañera muy aplicable en gastroscopia y colonoscopia, pero también muy aplicable para entender la ecografía. Eso sí, en ecografía la reflexión nos impide ver, ya que devuelve todos los ecos.
En el primer video no se llega a ver bien el efecto por la mala calidad del mismo, pero en el segundo sí que se puede ver con claridad.
Experimento muy accesible para realizar en el aula que nos permite comprender el fenómeno de la reflexión interna total. Este fenómeno es la base de la fibra óptica, material que nos permite transmitir información a alta velocidad y sin pérdidas. En la vida cotidiana, otra de las aplicaciones de la fibra óptica y la reflexión interna total es en el ámbito médico, mediante aparatos que nos permiten observar los conductos interiores del cuerpo humano, por ejemplo, con el endoscopio podemos ver el interior del esófago y el estómago.
Un ejemplo de reflexión total que podría explicarse en el aula son los espejismos. Estos fenómenos ocurren cuando los rayos de luz atraviesan capas de aire de densidad distinta, generando la percepción de una imagen invertida de objetos distantes, similar a la reflexión sobre la superficie del agua, tal como sucede en las llanuras de los desiertos.
Este experimento también puede ayudarnos a entender cómo funcionan las fibras ópticas en las telecomunicaciones. Las fibras ópticas guían la luz mediante un fenómeno conocido como reflexión interna total, que ocurre gracias a la dispersión de la luz dentro de un núcleo transparente. Este principio permite transmitir señales a grandes distancias con mínimas pérdidas, revolucionando la forma en que nos comunicamos y accedemos a la información en el mundo actual. Relacionar este concepto con la dispersión amplía su utilidad más allá de los fenómenos naturales.