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Óptica geométrica
Problema
2023 · Extraordinaria · Titular
A4
Examen

Un observador está situado al borde de un estanque de profundidad H=2 mH = 2 \text{ m}. Su visual está a una altura H=1,6 mH' = 1,6 \text{ 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 AA de la superficie a una distancia d=1,2 md = 1,2 \text{ m} del borde (véase la figura). Calcule:

Imagen del ejercicio
a) El índice de refracción del agua del estanque si la longitud de onda de la luz del foco vale 375 nm375 \text{ nm} en ella y 500 nm500 \text{ nm} en el aire.b) La distancia DD del foco a la pared del estanque.

Datos: Velocidad de la luz en el vacío, c=3108 m/sc = 3 \cdot 10^{8} \text{ m/s}; Índice de refracción del aire, n=1n = 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 nm375 \text{ nm} en ella y 500 nm500 \text{ 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=nwλwn_a \lambda_a = n_w \lambda_w

Donde nan_a es el índice de refracción del aire, λa\lambda_a es la longitud de onda en el aire, nwn_w es el índice de refracción del agua y λw\lambda_w es la longitud de onda en el agua.Despejamos el índice de refracción del agua nwn_w y sustituimos los valores dados:

nw=naλaλwn_w = n_a \frac{\lambda_a}{\lambda_w}
nw=1500 nm375 nmn_w = 1 \cdot \frac{500 \text{ nm}}{375 \text{ nm}}
nw=500375=431.33n_w = \frac{500}{375} = \frac{4}{3} \approx 1.33
b) La distancia DD del foco a la pared del estanque.

Para calcular la distancia DD, 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 AA de la superficie del agua y se refracta hacia el ojo del observador. Sean θ1\theta_1 el ángulo de incidencia en el agua y θ2\theta_2 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 HH' y la distancia dd al punto AA. El ángulo θ2\theta_2 se puede calcular usando la tangente:

tan(θ2)=dH\tan(\theta_2) = \frac{d}{H'}
tan(θ2)=1.2 m1.6 m=0.75\tan(\theta_2) = \frac{1.2 \text{ m}}{1.6 \text{ m}} = 0.75
θ2=arctan(0.75)36.87\theta_2 = \arctan(0.75) \approx 36.87^\circ

Para la Ley de Snell, necesitamos el seno del ángulo θ2\theta_2:

\sin(\theta_2) = \sin(36.87^\circ) = 0.6

Ahora aplicamos la Ley de Snell en el punto AA:

nwsin(θ1)=nasin(θ2)n_w \sin(\theta_1) = n_a \sin(\theta_2)

Sustituimos los valores conocidos (nw=4/3n_w = 4/3, na=1n_a = 1, sin(θ2)=0.6\sin(\theta_2) = 0.6):

43sin(θ1)=10.6\frac{4}{3} \sin(\theta_1) = 1 \cdot 0.6
sin(θ1)=340.6=1.84=0.45\sin(\theta_1) = \frac{3}{4} \cdot 0.6 = \frac{1.8}{4} = 0.45

Ahora calculamos el ángulo θ1\theta_1:

θ1=arcsin(0.45)26.74\theta_1 = \arcsin(0.45) \approx 26.74^\circ

Finalmente, utilizamos la geometría en el agua. El rayo parte del foco (a una distancia horizontal DD de la pared) y llega al punto AA (a una distancia horizontal dd de la pared). La distancia horizontal recorrida por el rayo en el agua es DdD-d. La altura es la profundidad del estanque HH.

tan(θ1)=DdH\tan(\theta_1) = \frac{D-d}{H}

Despejamos DD y sustituimos los valores (tan(θ1)=tan(26.74)0.502\tan(\theta_1) = \tan(26.74^\circ) \approx 0.502, H=2 mH = 2 \text{ m}, d=1.2 md = 1.2 \text{ m}):

Dd=Htan(θ1)D - d = H \tan(\theta_1)
D=d+Htan(θ1)D = d + H \tan(\theta_1)
D = 1.2 \text{ m} + 2 \text{ m} \cdot \tan(26.74^\circ)
D=1.2 m+2 m0.502D = 1.2 \text{ m} + 2 \text{ m} \cdot 0.502
D=1.2 m+1.004 mD = 1.2 \text{ m} + 1.004 \text{ m}
D=2.204 mD = 2.204 \text{ m}

Usando valores con mayor precisión (sin redondear los ángulos intermedios):

sin(θ2)=dH2+d2=1.21.62+1.22=1.22.56+1.44=1.24=1.22=35\sin(\theta_2) = \frac{d}{\sqrt{H'^2 + d^2}} = \frac{1.2}{\sqrt{1.6^2 + 1.2^2}} = \frac{1.2}{\sqrt{2.56 + 1.44}} = \frac{1.2}{\sqrt{4}} = \frac{1.2}{2} = \frac{3}{5}
sin(θ1)=nasin(θ2)nw=1(3/5)4/3=3534=920\sin(\theta_1) = \frac{n_a \sin(\theta_2)}{n_w} = \frac{1 \cdot (3/5)}{4/3} = \frac{3}{5} \cdot \frac{3}{4} = \frac{9}{20}
cos(θ1)=1sin2(θ1)=1(920)2=181400=319400=31920\cos(\theta_1) = \sqrt{1 - \sin^2(\theta_1)} = \sqrt{1 - \left(\frac{9}{20}\right)^2} = \sqrt{1 - \frac{81}{400}} = \sqrt{\frac{319}{400}} = \frac{\sqrt{319}}{20}
tan(θ1)=sin(θ1)cos(θ1)=9/20319/20=9319\tan(\theta_1) = \frac{\sin(\theta_1)}{\cos(\theta_1)} = \frac{9/20}{\sqrt{319}/20} = \frac{9}{\sqrt{319}}
D=d+Htan(θ1)=1.2+29319D = d + H \tan(\theta_1) = 1.2 + 2 \cdot \frac{9}{\sqrt{319}}
D=1.2+183191.2+1817.86051.2+1.0078 mD = 1.2 + \frac{18}{\sqrt{319}} \approx 1.2 + \frac{18}{17.8605} \approx 1.2 + 1.0078 \text{ m}
D2.2078 mD \approx 2.2078 \text{ m}