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Luz: reflexión, refracción y ondas electromagnéticas

Castilla y León · 2021 · Junio
Enunciado
Un haz de luz, de frecuencia 3,5⋅1014 Hz3{,}5\cdot 10^{14}\ \text{Hz}, incide desde el aire sobre un material de índice de refracción 1,351{,}35. Si el haz incidente forma un ángulo de 60∘60^\circ con la superficie de separación entre ambos medios, determine la longitud de onda de la luz en el material y el ángulo que forman los rayos reflejado y refractado.

Datos (de la tabla de constantes del examen): c0=3,00⋅108 m s−1c_0 = 3{,}00\cdot 10^{8}\ \text{m}\,\text{s}^{-1}.
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Resultado
  λ=6,35⋅10−7 mr^=21,7∘αreflejado-refractado=128∘  \boxed{\;\lambda = 6{,}35\cdot 10^{-7}\ \text{m}\qquad \hat r = 21{,}7^\circ\qquad \alpha_{\text{reflejado-refractado}} = 128^\circ\;}
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Estrategia

Al cambiar de medio la frecuencia no cambia, pero la velocidad sí (v=c/nv = c/n), así que λ=v/f\lambda = v/f. Los ángulos de la óptica se miden desde la normal: si el rayo forma 60∘60^\circ con la superficie, el ángulo de incidencia es 30∘30^\circ. La reflexión devuelve el mismo ángulo y la ley de Snell da el de refracción; el ángulo entre los dos rayos se obtiene sumando ángulos alrededor del punto de incidencia.
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Desarrollo

Longitud de onda en el material. Velocidad de la luz en el material y longitud de onda (la frecuencia es la misma que en el aire):v=c0n=3,00⋅1081,35=2,22⋅108 m/sλ=vf=2,222⋅1083,5⋅1014=6,35⋅10−7 mv = \frac{c_0}{n} = \frac{3{,}00\cdot 10^{8}}{1{,}35} = 2{,}22\cdot 10^{8}\ \text{m/s}\qquad \lambda = \frac{v}{f} = \frac{2{,}222\cdot 10^{8}}{3{,}5\cdot 10^{14}} = 6{,}35\cdot 10^{-7}\ \text{m}(En el aire sería λ0=c0/f=8,57⋅10−7 m\lambda_0 = c_0/f = 8{,}57\cdot 10^{-7}\ \text{m}; en el material se acorta en el factor nn.)

Ángulos. El ángulo de incidencia, medido desde la normal, es:ı^=90∘−60∘=30∘\hat\imath = 90^\circ - 60^\circ = 30^\circPor la ley de la reflexión, el rayo reflejado forma también 30∘30^\circ con la normal. Por la ley de Snell, con naire=1n_{\text{aire}} = 1:n1 sen ı^=n2 sen r^⟹sen r^=sen 30∘1,35=0,370⟹r^=21,7∘n_1\,\text{sen}\,\hat\imath = n_2\,\text{sen}\,\hat r\quad\Longrightarrow\quad \text{sen}\,\hat r = \frac{\text{sen}\,30^\circ}{1{,}35} = 0{,}370\quad\Longrightarrow\quad \hat r = 21{,}7^\circLos dos rayos salen hacia el mismo lado de la normal: el reflejado por encima de la superficie, a 30∘30^\circ de la normal, y el refractado por debajo, a 21,7∘21{,}7^\circ de la prolongación de la normal. Como las dos semirrectas de la normal forman 180∘180^\circ, el ángulo entre los rayos es:α=180∘−30∘−21,7∘=128∘\alpha = 180^\circ - 30^\circ - 21{,}7^\circ = 128^\circ
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Consejo

Lee con cuidado si el ángulo se da con la superficie o con la normal: la ley de Snell usa siempre el ángulo con la normal. Un esquema con la normal dibujada evita el error.

Al pasar de medio cambian vv y λ\lambda; la frecuencia, nunca.
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