La reflexión y la refracción de la luz son fenómenos físicos relacionados con la dirección de propagación de la luz.
Estos fenómenos tienen lugar cuando la luz, que por lo general viaja en línea recta, choca o se encuentra con una superficie o medio en su camino.
La reflexión ocurre cuando la luz se encuentra con una superficie (un cristal, por ejemplo) y se produce lo que comúnmente conocemos como un “rebote” del rayo de luz.
La refracción, en cambio, ocurre cuando la luz, que viaja en una dirección determinada en un medio físico (por ejemplo, el aire), llega a otro medio físico (pongamos por caso el agua) y es capaz de atravesarlo. En esa situación, la luz sufre un desvío en su dirección y se produce la refracción de la luz.
Reflexión de la luz
La reflexión de la luz es el fenómeno óptico que se produce cuando un rayo de luz llega a una superficie y retorna al espacio de donde procede.
Estamos rodeados de infinidad de rayos luminosos que chocan constantemente con los objetos que están a nuestro alrededor.
Para entender la reflexión de la luz, se consideran tres elementos:
- 1) el rayo incidente, que es el rayo que llega a la superficie reflectante;
- 2) el rayo reflejado, que es el rayo que "sale" o rebota de la superficie de reflexión; y
- 3) la línea normal, que es una línea imaginaria perpendicular a la superficie que se traza a partir del punto donde los rayos incidente y reflejado se encuentran.
Gracias a la reflexión de la luz percibimos las formas y los colores de nuestro entorno, ya que el reflejo de la luz en las superficies permite la iluminación de los espacios, por lo que podemos distinguir lo que nos rodea.
Así, por ejemplo, cuando los rayos de luz chocan contra una superficie lisa pulida, como la superficie de un lago o de un espejo, se reproduce una imagen. Cuando los rayos de luz chocan contra una superficie rugosa, los rayos se dispersan sin formar una imagen.
Leyes de la reflexión de la luz
Para explicar cómo funciona la reflexión de la luz, existen dos leyes:
Primera ley: los rayos incidentes y reflejados, así como la normal están en el mismo plano. Si pudiéramos ver el rayo incidente y el rayo reflejado desde arriba, veríamos que ambos forman una línea recta.
Segunda ley: el rayo que incide en la superficie llega con un ángulo y el rayo que se refleja se devuelve con el mismo ángulo. Esto explica cómo dos personas pueden verse a través de un espejo sin estar cerca.
Refracción de la luz
La refracción de la luz se produce cuando esta atraviesa un medio diferente al que procede. Es decir, cuando la luz viene del aire y entra en el agua se produce la refracción. Aquí entendemos como medio a un espacio donde ocurre un fenómeno, por ejemplo, el aire, el agua, el vidrio son medios.
En la refracción de la luz, se consideran los siguientes elementos:
- 1) el rayo incidente, que es el rayo que llega a la interfase entre dos medios;
- 2) el rayo refractado, que es el rayo que sale desviado de la interfase; y
- 3) la línea normal, que es una línea imaginaria perpendicular a la superficie que se traza a partir del punto donde los rayos incidente y refractado se encuentran.
La refracción de la luz explica por qué una vara recta se ve doblada o partida al introducirla en un vaso con agua u otro líquido. Lo que sucede en realidad, es que los rayos de luz se desvían cuando pasan del aire al agua y cuando pasan del agua al aire. Los rayos refractados llegan a los ojos, haciéndonos creer que la vara no es recta.
Los lentes y lupas basan su funcionamiento en la propiedad de refracción de la luz, al desviar los rayos para concentrarlos en un punto, con lo que se puede enfocar o distorsionar una imagen.
Leyes de la refracción de la luz
La refracción de la luz puede explicarse por medio de dos leyes:
Primera ley: el rayo incidente, el rayo refractado y la línea normal perpendicular al punto de incidencia están sobre el mismo plano. Así, si miramos desde arriba nos podemos dar cuenta que el rayo incidente y el rayo refractado son continuos.
Segunda ley: el rayo de luz llega a la superficie de separación de dos medios con un cierto ángulo, pero el rayo refractado sale con una inclinación que depende del índice de refracción del medio. Esta ley también se conoce como la ley de Snell y se presenta con la fórmula:
donde n1 indica el índice de refracción del medio del rayo incidente, θ1 es el ángulo de incidencia, n2 es el índice de refracción del medio del rayo refractado y θ2 es el ángulo de refracción.
6 experimentos de reflexión y refracción de la luz
Te presentamos algunos experimentos que puedes realizar en casa.
1. Reflexión interna total
¿Cómo hacerlo? Para entender qué es la reflexión interna total, necesitamos vasos transparentes y agua. Llena un vaso con agua. Coloca el vaso un poco por arriba de los ojos. Mete la punta del dedo en el agua.
¿Qué sucede? Cuando ves desde abajo, puedes ver apenas la punta del dedo y su reflejo en la superficie del agua. Esto es lo que se conoce como reflexión interna total, un fenómeno donde la luz se refleja dentro de un medio más denso que el aire.
2. El periscopio
¿Cómo hacerlo? Para esto necesitamos dos espejos pequeños y un tubo de cartón. Puede ser el tubo que queda del papel de cocina.
Abre en cada extremo del tubo un agujero en diferentes lados del tubo. Pega o fija un pequeño espejo en un ángulo de 45 º en cada borde del tubo, de tal forma que sus caras reflectantes estén paralelas entre sí. Cierra los extremos del tubo.
¿Qué sucede? Si miras por uno de los agujeros podrás ver a lo que está apuntando la otra abertura. Acabas de construir un periscopio. Este instrumento se usa para ver objetos que no están directamente en el campo visual, y se basa en la reflexión de la luz en los espejos que se encuentran dentro de un tubo. Gracias a estos, los marineros en un submarino pueden observar la superficie marina.
3. La moneda en el tazón
¿Cómo hacerlo? Para este experimento se necesita una botella con agua, un tazón o cuenco y una moneda o piedra. Se coloca la moneda o la piedra en el centro del recipiente. La persona se coloca a nivel del tazón de forma tal que la moneda desaparece debajo del borde. Sin mover los ojos, se va poniendo agua de la botella dentro hasta llenarlo.
¿Qué sucede? Antes de colocar el agua, la persona no ve la moneda (o la piedra), pero una vez que el tazón está lleno de agua, la moneda aparece en la vista. Esto se debe a que los rayos de luz que entran en el agua con un desvío, chocan contra la moneda y vuelven a la superficie del agua, donde se vuelven a refractar en el aire. Estos rayos llegan a nuestros ojos, mostrándonos una moneda en línea recta, cuando en realidad está colocada hacia atrás.
4. El lápiz doblado
¿Cómo hacerlo? Para este experimento necesitamos un vaso con agua casi lleno y un lápiz sin punta con un punto negro en el extremo de la goma de borrar.
Cerramos un ojo y nos fijamos en la goma de borrar con el punto negro hacia arriba. Introducimos el lápiz en el vaso de agua a un ángulo de 45º.
¿Qué sucede? Antes de sumergir el lápiz, lo único que se alcanza a ver es la goma de borrar; una vez sumergido el lápiz aparece el punto negro al final del lápiz.
5. ¿Por qué dos puntos rojos en el techo?
¿Cómo hacerlo? Para este experimento necesitamos un puntero láser y un acuario lleno de agua. Apuntamos el rayo láser hacia la superficie del agua en un ángulo y con las luces apagadas podemos localizar dos puntos de luz en el techo.
¿Qué sucede? Esto se debe a que algunos de los rayos del láser se reflejan en la superficie del agua hacia el techo, produciendo un punto de luz. Los otros rayos entran en el agua y se refractan para luego chocar contra el fondo del acuario y reflejarse dentro del acuario hasta la superficie del agua, donde vuelve a refractarse hasta producir un punto de luz en el techo.
6. La canica en la taza
¿Cómo hacerlo? Necesitamos una taza, una canica y un acuario o pecera grande con agua donde podamos meter la taza. Trata de meter una canica dentro de la taza que está dentro de la pecera llena de agua. Hazlo primero viendo desde arriba y luego viendo desde un lado de la pecera. ¿De cuál de las dos maneras es más fácil?
¿Qué sucede? Cuando vemos la taza desde arriba, la luz incide perpendicularmente y sigue su trayecto lineal, sin desvío. Por eso es mucho más fácil meter la canica viendo la taza desde arriba que desde un lado.
Curiosidades sobre la reflexión y refracción de la luz
- La reflexión se usa para calentar en hornos solares: los hornos solares están diseñados para reflejar los rayos del Sol en una pequeña zona y aumentar la temperatura, con lo cual se pueden cocinar alimentos.
- La reflexión de la luz permite transmitir información: el principio por el que funciona la fibra óptica por donde se transmite la información de Internet es la reflexión de la luz dentro del cable.
- Podemos ver gracias a la refracción de la luz: cuando los rayos de luces llegan a los ojos, entran por la pupila y se refractan en el ojo, para concentrarse en la retina. Desde la retina se envía la información que es descifrada en el cerebro.
- Podemos tomar fotografías debido a la refracción de la luz: las lentes que tienen las cámaras desvían los rayos de luz y eso nos permite poder registrar las imágenes en fotografías.
Referencia
Ashmann, S., Anderson, C.W., Boeckman, H. (2016). Helping secondary school students develop a conceptual understanding of refraction. Phys.Educ. 51: 0455009. DOI:10.1088/0031-9120/51/4/045009
Kirkland, K. (2007) Light and Optics. Facts On File. New York.