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Luz: reflexión, refracción y ondas electromagnéticas

Extremadura · 2021 · Julio
Enunciado
Un haz muy fino de luz procedente del aire incide sobre la superficie de un diamante. Se observa que el rayo en el interior del diamante respecto a la horizontal forma un ángulo de 70∘70^\circ. Determine el ángulo de incidencia respecto a la normal a la superficie del diamante.

Datos: índice de refracción del diamante: 2,42{,}4. Índice de refracción del aire =1= 1.

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Resultado
  ı^=55,2∘ respecto a la normal(r^=20∘)  \boxed{\;\hat\imath = 55{,}2^\circ\ \text{respecto a la normal}\qquad (\hat r = 20^\circ)\;}
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Estrategia

La ley de Snell relaciona los ángulos que forman con la normal el rayo incidente y el refractado: n1 sen ı^=n2 sen r^n_1\,\text{sen}\,\hat\imath = n_2\,\text{sen}\,\hat r. El dato del enunciado es el ángulo con la horizontal, que es la superficie del diamante; primero hay que pasarlo al ángulo con la normal (su complementario) y después aplicar Snell.
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Desarrollo

Ángulo de refracción. La superficie del diamante es horizontal y la normal, vertical. Un rayo que forma 70∘70^\circ con la horizontal forma con la normal el ángulo complementario:r^=90∘−70∘=20∘\hat r = 90^\circ - 70^\circ = 20^\circEsta lectura es la única posible: si los 70∘70^\circ fueran con la normal, Snell daría sen ı^=2,4⋅sen 70∘=2,26>1\text{sen}\,\hat\imath = 2{,}4\cdot\text{sen}\,70^\circ = 2{,}26 > 1, que no existe. Además, al pasar a un medio de índice mayor el rayo se acerca a la normal, así que el refractado debe formar con ella un ángulo pequeño.

Ley de Snell con n1=1n_1 = 1 (aire) y n2=2,4n_2 = 2{,}4 (diamante):n1 sen ı^=n2 sen r^⇒sen ı^=n2n1 sen r^=2,4⋅sen 20∘=2,4⋅0,342=0,821n_1\,\text{sen}\,\hat\imath = n_2\,\text{sen}\,\hat r \quad\Rightarrow\quad \text{sen}\,\hat\imath = \frac{n_2}{n_1}\,\text{sen}\,\hat r = 2{,}4\cdot\text{sen}\,20^\circ = 2{,}4\cdot 0{,}342 = 0{,}821ı^=arcsin⁡0,821=55,2∘\hat\imath = \arcsin 0{,}821 = 55{,}2^\circComo se esperaba, ı^>r^\hat\imath > \hat r: la luz se acerca a la normal al entrar en el diamante, mucho más refringente que el aire.
Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)
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Consejo

En la ley de Snell los ángulos se miden siempre desde la normal. Si el enunciado da el ángulo con la superficie, réstalo de 90∘90^\circ antes de nada.

Comprueba el resultado: al entrar en un medio más refringente el rayo se acerca a la normal (r^<ı^\hat r < \hat\imath), y un seno mayor que 1 delata que has tomado mal el ángulo.
Paso 1 de 3
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