Luz: reflexión, refracción y ondas electromagnéticas

a) Es un efecto de la refracción. Al pasar del agua ($n_{\text{agua}}\approx1{,}33$) al aire ($n=1$), la luz aumenta su velocidad y, por la ley de Snell,$$n_{\text{agua}}\,\text{sen}\,\theta_{\text{agua}} = n_{\text{aire}}\,\text{sen}\,\theta_{\text{aire}}\ \Rightarrow\ \theta_{\text{aire}} > \theta_{\text{agua}}$$es decir, el rayo se refracta alejándose de la normal.

Esquema: se dibuja la superficie del agua (línea horizontal), el objeto $O$ en el fondo y dos rayos que salen de $O$ hacia la superficie; en cada punto de salida se traza la normal (vertical) y el rayo refractado en el aire, más inclinado respecto de la normal que dentro del agua. El ojo recibe esos rayos divergentes y, como interpreta que la luz viaja en línea recta, los prolonga hacia atrás (líneas discontinuas): las prolongaciones se cortan en un punto $O'$ situado sobre la misma vertical que $O$ pero más cerca de la superficie. $O'$ es la imagen virtual del objeto, y por eso se ve a menor profundidad que la real. Para rayos casi verticales, la profundidad aparente es $h' \approx h\,\dfrac{n_{\text{aire}}}{n_{\text{agua}}} \approx 0{,}75\,h$.

b) Refracción: $\text{sen}\,\theta_r = \dfrac{\text{sen}\,30^\circ}{1{,}5} = 0{,}333\Rightarrow \theta_r = 19{,}5^\circ$. Recorrido y tiempo ($v=c/n=2\cdot10^{8}\,\text{m/s}$):$$\ell = \frac{e}{\cos\theta_r} = \frac{0{,}08}{\cos19{,}5^\circ} = 0{,}0849\,\text{m}\Rightarrow t = \frac{\ell}{v} = \frac{0{,}0849}{2\cdot10^{8}} = 4{,}24\cdot10^{-10}\ \text{s}$$Desplazamiento horizontal:$$x = e\,\tan\theta_r = 0{,}08\cdot\tan19{,}5^\circ = 0{,}0283\ \text{m} = 2{,}83\ \text{cm}$$