Un observador está situado al borde de un estanque de profundidad H=2 m. Su visual está a una altura H′=1,6 m sobre la superficie del agua. En el fondo del estanque hay un foco puntual de luz. El observador lo ve cuando mira hacia el punto A de la superficie a una distancia d=1,2 m del borde (véase la figura). Calcule:
a) El índice de refracción del agua del estanque si la longitud de onda de la luz del foco vale 375 nm en ella y 500 nm en el aire.b) La distancia D del foco a la pared del estanque.
Datos: Velocidad de la luz en el vacío, c=3⋅108 m/s; Índice de refracción del aire, n=1.
refracciónley de Snelllongitud de onda+1
a) El índice de refracción del agua del estanque si la longitud de onda de la luz del foco vale 375 nm en ella y 500 nm en el aire.
La relación entre el índice de refracción y la longitud de onda en diferentes medios, manteniendo la frecuencia constante, viene dada por:
naλa=nwλw
Donde na es el índice de refracción del aire, λa es la longitud de onda en el aire, nw es el índice de refracción del agua y λw es la longitud de onda en el agua.Despejamos el índice de refracción del agua nw y sustituimos los valores dados:
nw=naλwλa
nw=1⋅375 nm500 nm
nw=375500=34≈1.33
b) La distancia D del foco a la pared del estanque.
Para calcular la distancia D, utilizaremos la Ley de Snell y la geometría del problema. Primero, identificamos los ángulos en el aire y en el agua.Consideremos el rayo de luz que sale del foco en el agua, incide en el punto A de la superficie del agua y se refracta hacia el ojo del observador. Sean θ1 el ángulo de incidencia en el agua y θ2 el ángulo de refracción en el aire, ambos medidos con respecto a la normal a la superficie.En el aire, formamos un triángulo rectángulo con la altura del observador H′ y la distancia d al punto A. El ángulo θ2 se puede calcular usando la tangente:
tan(θ2)=H′d
tan(θ2)=1.6 m1.2 m=0.75
θ2=arctan(0.75)≈36.87∘
Para la Ley de Snell, necesitamos el seno del ángulo θ2:
\sin(\theta_2) = \sin(36.87^\circ) = 0.6
Ahora aplicamos la Ley de Snell en el punto A:
nwsin(θ1)=nasin(θ2)
Sustituimos los valores conocidos (nw=4/3, na=1, sin(θ2)=0.6):
34sin(θ1)=1⋅0.6
sin(θ1)=43⋅0.6=41.8=0.45
Ahora calculamos el ángulo θ1:
θ1=arcsin(0.45)≈26.74∘
Finalmente, utilizamos la geometría en el agua. El rayo parte del foco (a una distancia horizontal D de la pared) y llega al punto A (a una distancia horizontal d de la pared). La distancia horizontal recorrida por el rayo en el agua es D−d. La altura es la profundidad del estanque H.
tan(θ1)=HD−d
Despejamos D y sustituimos los valores (tan(θ1)=tan(26.74∘)≈0.502, H=2 m, d=1.2 m):