Internal reflection
31 Mar, 2013
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PDFBetween liquids
PRESENTATION: The phenomena of reflection and refraction of light are associated with its propagation and are produced simultaneously when the light comes across a surface that separates two distinct media at which there is a change in the velocity of light. The phenomenon of total reflection (all the light is reflected) happens, if the light is traveling from a medium with a higher index to one with a lower index, when the angle of incidence is greater than a certain critical or limit value.
- Galilean refractor in an aquarium, Max Ziegler, Phys. Teach. 50, 251 (2012)
- Why Does the Goldfish Disappear in the Fishbowl?, Yuhua Zhu and Fengliang Shi, Phys. Teach. 47, 424 (2009)
- Index of Refraction Using Total Internal Reflection, Thomas B. Greenslade, Phys. Teach. 45, 420 (2007)
INTRODUCTION: Total internal reflection is the phenomenon that is produced when a ray of light, tries to pass through the surface between a material with refractive index n´ and one with a lower refractive index n, and is refracted in such a way that it is unable to cross that surface and is completely reflected. This phenomenon is only produced for angles of incidence that are above a certain critical value, icritical
objective: To analyze the total internal reflection phenomenon in a surface separating two liquids.
MATERIALS: oil, water, alcohol, glass beaker, food colouring.
SETUP: Pour a mix of water and alcohol with food colouring into a glass beaker and then pour a little oil on top of the mixture (1 part water-alcohol to 2 parts oil). Repeat the demonstration, putting a greater proportion of water-alcohol than oil (2 parts water-alcohol to 1 part oil).
EXPLANATION: In the first demonstration, with more oil than water-alcohol, the oil will be the lighter liquid and form a layer on top. This means that the colour of the liquid below will not be seen when you look through both liquids (the interior reflects).
In the second demonstration, with a greater proportion of water-alcohol than oil, the oil sinks and there is no total reflection at the separation between the two liquids.
CONCEPTS: total reflection, refractive index, angle of incidence, angle of refraction.
MORE INFORMATION:
TEXTS:
- 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.
STUDENTS 2011-2012: Claudia Neira, Cristina Martínez, Manuel Muiño, Sergio Martínez
LINK pdf STUDENTS (In Spanish):
STUDENTS 2010-2011: Antonio Dacosta, Alberto Díaz
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Cuando un rayo de luz incide sobre una superficie de otro medio transparente, no pasa a él; es decir, no se refracta. Lo que hace en este caso es reflejarse como en los espejos. Este fenómeno se denomina reflexión total interna.
Como dice más arriba, la reflexión total interna se produce el ángulo de incidencia supera cierto valor, conocido como ángulo límite, el cual depende de los medios. Debido a la gran calidad de la reflexión que se produce, este fenómeno tiene muchas aplicaciones técnicas: los prismáticos poseen juegos de prismas.
Pero la aplicación más conocida hoy en día es la “fibra óptica”. Se produce por medio de delgadísimos conductores de luz donde esta penetra por uno de los extremos de la fibra y sale por el otro extremo, no por sus paredes ya que en ella se produce la reflexión total interna
A modo de ilustración da explicación anterior, e con intención de demostrar o efecto da reflexión total interna, exponse este vídeo para entender e observar a espectacularidade deste fenómeno.
Hace más de un siglo John Tyndall (1870) demostró que una fina corriente de agua podía contener y guiar luz; poco después recurrió a tubos de vidrio y más tarde a hilos gruesos de cuarzo fundido. Sin embargo, lo importante de este trabajo fue demostrar que la luz, al incidir en estos materiales a un determinado ángulo, se refleja dentro de ellos, es decir, queda confinada y puede propagarse a determinadas distancias. Este fenómeno se conoce como reflexión total interna y es el principio de funcionamiento de las fibras ópticas. Algunas de sus aplicaciones están en:
Medicina: Como ayuda a las técnicas endoscópicas clásicas y, de hecho, están siendo sustituidos los sistemas tradicionales por los modernos fibroscopios.
Arqueología: Con el fin de poseer un acceso visual a zonas que son inaccesibles mediante otros sistemas.
Aplicaciones militares: En la seguridad de este medio de transmisión frente a las comunicaciones por radio y cables convencionales.
Iluminación: Lo que la fibra óptica transporta es luz. Nos permite con suma facilidad iluminar zonas especiales sometidas a toxicidades, riesgos de incendio, etc. tales como industrias petrolíferas, explotaciones mineras, industrias de altos componentes inflamables y muchas otras.
Telecomunicaciones: Las fibras ópticas se utilizan ampliamente en telecomunicaciones, ya que permiten enviar gran cantidad de datos a una gran distancia, con velocidades similares a las de radio o cable.
Además de ser el principio de funcionamiento de las fibras ópticas, la reflexión total interna también se aplica en cámaras SLR o en prismáticos, entre otros.
Os dejo este vídeo, que muestra un sencillo experimento en el que sólo se necesita una botella de plástico, agua y un láser.
La luz siempre lleva intrínseco las explicaciones de dos de sus propiedades: reflexión y refracción. Sendos conceptos resultan sencillos para los adultos de poder entender, pero la primera vez que se lo explican a uno no es tan fácil de comprender. Así mismo, los típicos ejemplos que se suelen exponer son espejos para el caso de la reflexión, y medio aire-agua para la refracción. El típico ejemplo es el lápiz en un vaso con agua con una parte sumergida, observando que el objeto parece roto; pero es debido a que el índice de refracción de la luz es mayor en el agua que en el aire, debido a que la velocidad de la luz en el agua es menor que en el aire. Recordar que para que se produzca la refracción la luz tiene que pasar por dos o más medios con distinto índice de refracción o, lo que es lo mismo, diferente velocidad de la luz.
En el caso de la reflexión total interna, se produce cuando la luz atraviesa un medio con un índice de refracción alto a un medio con un índice de refracción menor con un cierto ángulo de incidencia superior al valor del ángulo crítico. Una de las aplicaciones de este fenómeno es en la fibra óptica, evitando la pérdida de energía en la conducción de la luz. La fibra óptica es un conducto flexible que se utiliza para transportar información de manera rápida, instalándose hoy en día en las ciudades para una conexión más rápida a Internet. Además de las telecomunicaciones, la fibra óptica también se utiliza en medicina en aparatos para realización de endoscopias; en arqueología, para poder acceder visualmente a zonas inaccesibles; aplicaciones militares, ya que son un canal de transmisión de información seguro, rápido y ligero.
Para complementar todas las explicaciones teóricas sobre la reflexión interna total os dejo este vídeo donde se explica el fenómeno de manera clara y amena.
La reflexión interna total se utiliza en fibra óptica para conducir la luz a través de la fibra sin pérdidas de energía. En una fibra óptica el material interno tiene un índice de refracción más grande que el material que lo rodea. El ángulo de la incidencia de la luz es crítico para la base y su revestimiento y se produce una reflexión interna total que preserva la energía transportada por la fibra.
Podemos observar dos conceptos teóricos muy interesantes de una forma práctica:
-Cuando la luz incide sobre un medio de menor índice de refracción, el rayo se desvía de la normal, de tal manera que el ángulo de salida es mayor que el ángulo incidente–> “reflexión interna”.
-El ángulo de salida alcanzará los 90º, para algún ángulo de incidencia crítico θc, y para todos los ángulos de incidencia mayor que este ángulo crítico, la reflexión interna será total –> “reflexión total”.
¿Tus gafas te hacen parecer miope? Las gafas llamadas “culo de vaso” se definen por la aparición de aros concéntricos en los bordes de los cristales. Éstos aros se forman por la reflexión interna de la luz al atravesar el bisel y resultan especialmente evidentes en gafas de miopías altas. Cuanto mayor es la potencia, más grueso es el cristal, lo que contribuye a que se hagan más visibles. Evitar este efecto es uno de los cometidos de los ópticos, lo que también aumenta el precio de las gafas.
En el siguiente enlace tenemos otro ejemplo de la reflexión total de un laser en agua.
Este tipo de experimentos son muy visuales para los alumnos ya que les permite comprender en primera persona y de un modo práctico conceptos complejos como el de refracción. Otro tipo de actividad que permite trabajar dicho concepto es empleando una moneda y un recipiente de cristal con agua como se observa en el siguiente vídeo.En éste se puede observar cómo colocando una moneda en el fondo de un recipiente con agua, los rayos reflejados en la moneda se desvían al cambiar de medio (al pasar del vidrio al agua o del agua al aire) y, al mirar desde un lateral del recipiente, ningún rayo logra alcanzar nuestros ojos y no podemos ver la moneda como consecuencia de la refracción (desviación de la luz). Sin embargo si se observa desde arriba la moneda se podría ver sin problema ya que la luz incide perpendicularmente a la superficie de separación de dos medios no sufre esta desviación.
En sismología, el ángulo crítico de incidencia tiene implicaciones importantes. Una onda sísmica que llega con este ángulo a un límite entre dos materiales de distinta densidad e impedancia, va a viajar por este límite en forma de una “head wave” u onda de choque. Ésta puede viajar grandes distancias. Su detección en puntos clave permite obtener información importante acerca del subsuelo. Entre otras, éstas técnicas han permitido inferir la estructura interna de la tierra o conocer la tectónica de una región concreta. Podéis aprender más sobre sismología en este curso del MIT.
Mira tus huellas digitales mientras sujetas un vaso de agua sobre una superficie blanca. ¿Por qué puedes ver las huellas digitales tan nítidas? La respuesta a la pregunta se puede encontrar en este enlace.
Experimento que ayudará a los alumnos a entender el concepto de reflexión interna y como funciona la fibra óptica, tan importante en las telecomunicaciones hoy en día. Sin embargo, la tecnología desarrollada con este principio, no sólo nos permite ver la tele de forma nítida o conectarnos rápidamente a Internet, sus usos son amplios y variados. Por ejemplo, gracias a ella se han mejorado notablemente las técnicas clásicas de endoscopia en medicina o podemos obtener imágenes de sitios con difícil acceso en arqueología, sin causar un gran impacto en los bienes culturales.
El fenómeno de reflexión interna total lo podemos observar de forma cotidiana en las fuentes decorativas, donde se aplica el experimento de Tindall-Colladon para conducir la luz a través de un chorro de agua: si un haz de luz incide en un chorro de agua bajo un cierto ángulo, la luz queda confinada en el agua (se produce la reflexión interna), reflejándose a lo largo de la trayectoria dibujada por el chorro. Los experimentos de Colladon y Tindall fueron los orígenes del posterior desarrollo de la fibra óptica, como se explica en este enlace. Este link se puede utilizar como referencia para llevarlo a cabo en una clase práctica de Tecnología.
La reflexión total también es la causante de los espejismos en el desierto, o lo que hace que veamos el asfalto “mojado” cuando hace mucho calor. En este link se explican estos, y otros fenómenos naturales.
Reflexión interna total : cuando un rayo de luz incide con determinado ángulo, pasando de un medio denso a otro más ligero. Superado ese ángulo (respecto a la normal), los rayos de luz no pueden salir del medio denso, y solo pueden rebotar. El siguiente mini- vídeo de National Geographic explica claramente la reflexión total interna y nos muestra como un experimento que inicialmente fue pensado para ser lúdico e los salones ahora es básico para las comunicaciones del siglo XXI (fibra óptica). El experimento mostrado en el primer vídeo me parece bastante complicado de visualizar, quizá por la calidad del vídeo. Mientras que el 2º vídeo de ejemplo, y sobre todo el YOUTUBE 1 de más información, me parecen súper visuales y sorprendentes. Y permiten mostrar el fenómeno de la reflexión total de una forma clara y llamativa que hará llegar los conceptos al alumnado. De la misma vía de estos experimentos se encuentran los mencionados por Paula y Marcos, también muy visuales y fáciles de realizar pues utilizan material cotidiano. Otro experimento relacionado con este fenómeno que, ya han comentado en otros comentarios, es el de la moneda que desaparece, también muy interesante y que realizaría en clase para seguir llamando la atención y curiosidad a la vez que se explica la reflexión total sin utilizar directamente un haz d luz (como antes usábamos el láser). Dejo el siguiente documento en donde se explica el experimento y se explica el fenómeno estudiado de una forma clara y concisa.
Como alternativa podemos reforzar la explicación de este fenómeno (reflexión total interna) u otros fenómenos físicos como la refracción, utilizando el simulador GeoGebra. El mencionado simulador emula el comportamiento de estos fenómenos desde el punto de vista de las relaciones de medida existentes entre los ángulos de incidencia, refracción y reflexión formados por un rayo de luz al variar los índices de refracción correspondientes a los medios involucrados. A continuación un artículo en el cual se describe como utilizar GeoGebra para explicar la reflexión total interna, así como la utilidad pedagógica del simulador.
Un fenómeno muy relevante actualmente en nuestro día a día, pues, como ya se ha comentado por aquí anteriormente, es el fundamento de la fibra óptica, que muchos relacionarán directamente con las telecomunicaciones e internet. Sin embargo, existen otras aplicaciones en medicina (las técnicas endoscópicas clásicas y, de hecho, están siendo sustituidos los sistemas tradicionales por los modernos fibroscopios) o la arqueología (se usa habitualmente con el fin de poseer un acceso visual a zonas que son inaccesibles mediante otros sistemas).
Podemos realizar un experimento similar llenando un vaso transparente con agua, sujétalo un poco por encima de la altura de los ojos e introduciendo en la punta de un dedo en el agua. Lo que observaremos será una reflexión del dedo, puesto que la superficie actúa como un espejo. La reflexión interna total cuando será alcanzada cuando miremos desde los costados. El experimento lo podemos encontrar en el siguiente enlace.
La reflexión interna total es muy importante en la actualidad ya que nos permite tener conexión a Internet de forma rápida, pues la fibra óptica se basa en este principio. En este vídeo se puede ver una experiencia donde usando un láser se aprecia este fenómeno en una fuente luminosa casera.
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