15: Reflexión I
En muchos casos las ondas planas viajarán en una línea recta, y se reflejarán en objetos y superficies con el mismo ángulo que inciden. Esto se llama la Ley de Reflexión y es cierto para las ondas de sonido así como la luz, siempre y cuando la superficie sea suficientemente lisa. En estos casos podemos tratar la onda como una línea recta o rayo que es perpendicular al frente de onda. Geométria (o rayos) óptica es el estudio de la luz en los casos en que la onda viaja en línea recta, excepto para la reflexión y la refracción (tratado más adelante).
Por lisa queremos decir que la rugosidad de la superficie tiene variaciones que son más pequeñas que la longitud de onda de la onda. Si la superficie es suficientemente lisa un grupo de rayos paralelos se reflejan todos en la misma dirección. Esto se llama reflexión especular. Cuando la superficie es áspera relación con la longitud de onda, aunque los rayos individuales todavía obedecen a la ley de la reflexión que terminan no siendo paralelas después de ser reflejada. Esto se llama reflexión difusa.
Para la luz, con muy pequeñas longitudes de onda, esto significa que la superficie debe ser muy lisa para la reflexión especular. Para las ondas electromagnéticas más grandes, tales como microondas, señales de televisión digital y las ondas de radio, la reflexión especular se produce incluso cuando la superficie es relativamente rugosa. Es por ello que se utilizan espejos de los telescopios ópticos, pero radiotelescopios y antenas de Direct TV no necesitan ser tan lisas como un espejo.
La simulación de abajo permite hacer una breve exploración de la reflexión especular. El espejo en cada caso en en el centro y todo a la derecha está detrás del espejo (virtual). Estos ejemplos son para la luz que se refleja de los espejos, el mismo comportamiento se produce para cualquier onda (sonido, por ejemplo) si la superficie es lisa con relación a la longitud de onda.
Preguntas:
15.1. La simulación se inicia con un espejo plano, un objeto de la izquierda (una vela) y la imagen de la vela (mostrado a la derecha). Tres rayos reales (flechas blancas) se muestran dejando el objeto y reflejándose en el espejo. Describir cuidadosamente cada rayo. ¿Qué hace el rayo paralelo cuando se refleja en el espejo? ¿Qué hace el rayo que va al centro del espejo hacer cuando refleja?
15.2. El pequeño transportador se puede arrastrar a diferentes lugares y la punta de flecha se puede mover para cambiar el ángulo. Use esto para medir los ángulos incidente y reflejado (que se miden desde la perpendicular, no de la superficie del espejo). ¿Cuáles son los ángulos incidente y reflejado por el rayo que va desde el objeto al centro del espejo? Se cumple la ley de la reflexión?
15.3. Nuestros ojos y el cerebro no perciben la los rayos como un reflejo. En su lugar, nuestros cerebros perciben la los rayos reflejados como proveniente de detrás del espejo (las flechas magenta) de una imagen imaginaria o virtual detrás del espejo. El objeto se puede mover con el ratón. ¿El tamaño de imagen cambia si el objeto se mueve hacia atrás y hacia adelante?
15.4. Ahora seleccione el botón de espejo convexo. Mueva el objeto hacia atrás y hacia adelante. Describa lo que ocurre con la imagen cuando el objeto se mueve hacia atrás y hacia adelante. ¿Qué sucede con un rayo paralelo cuando refleja? ¿Qué sucede con el rayo de que va al centro del espejo? El punto rojo a la derecha es el punto focal del espejo y es 1/2 del radio de curvatura del espejo. ¿Qué sucede con un rayo que parte de la izquierda y se dirige hacia el punto focal en el otro lado; ¿cómo se refleja?
15.5. Utilice el transportador para medir el incidente y ángulos reflejadas para el rayo que incide en centro del espejo para el caso convexo. Son los iguales? Los otros rayos también obedecen la ley de la reflexión, pero la superficie del espejo en esos lugares no es perpendicular al eje x. Coloque el transportador en el lugar donde el rayo incide en la parte superior del espejo y girar la flecha para apuntar directamente lejos del radio de curvatura (punto turquesa). Esta es la dirección perpendicular al espejo y debe caer precisamente entre los rayos entrantes y salientes. ¿Cuál es el ángulo?
15.6. Para el espejo plano y convexo, ¿el tamaño del objeto de cambia las leyes de reflexión? Describe lo que ves.
15.7. Ahora haga clic en el botón de espejo cóncavo. Deslice el objeto hacia atrás y hacia adelante, moviéndolo desde muy lejos del espejo a muy cerca. Describa la imagen respecto del tamaño y orientación en relación con el objeto (Sugerencia: Hay tres casos diferentes: Más cerca que el foco; más lejos que el foco pero más cerca del doble de la distancia focal, más lejos que el doble de la distancia focal)
Imágenes que aparecen detrás del espejo (a la derecha en la simulación) son imágenes virtuales; sólo podemos verlos mirando en el espejo. Imágenes que aparecen en el lado izquierdo, delante del espejo son imágenes reales . Estos pueden ser vistos en el espejo y también pueden ser proyectada sobre una pantalla.
15.8. Para el espejo plano fueron las imágenes reales o virtuales? Son las imágenes para el espejo convexo reales o imaginarias? ¿Cómo lo sabes? ¿En qué casos son las imágenes reales y virtuales en el espejo cóncavo?
15.9. Describir las tres rayos reflejados para el caso de una imagen virtual en el caso espejo cóncavo. ¿obedecen la ley de la reflexión? Explicar.
15.10. Describir las tres rayos reflejados para el caso de una imagen real en el caso espejo cóncavo. ¿obedecen la ley de la reflexión? ¿Cambian las leyes de cambio de reflexión en función del tamaño del objeto en el caso cóncavo? Explicar.
15.11. Volver al espejo plano y utilizar el ratón para encontrar la distancia desde el espejo al objeto y del espejo a la imagen. ¿Cómo están ellos relacionados?
Para un espejo plano la altura de la imagen y la distancia de la imagen son las mismas que las del objeto. Para un espejo curvo la relación entre la distancia al objeto, s y a la imagen to the image s' están relacionadas con la distancia focal, f que es igual a la mitad del radio de curvatura del espejo. La relación es 1/f = 1/s + 1/s' donde la distancia focal es positiva para un espejo cóncavo y negativa para un espejo convexo. La distancia a la imagen será positivo si la imagen es real y negativo si virtual.
15.12. Utiliza el ratón para encontrar la distancia al objeto y la imagen de varias distancias diferentes en el caso espejo convexo. Utilice estos valores para encontrar la distancia focal, f (no olvide la convención de signos que figura en el párrafo anterior).
© 2015, Wolfgang Christian y Kyle Forinash.
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