El estudio de la doble refracción de un rayo de luz a través de una lámina plano-paralela (puede ser de vidrio, plástico,..) tiene un interés particular porque es uno de los experimentos que apoya el modelo ondulatorio de la luz. Si la luz fuera un chorro de partículas sería muy difícil justificar que el rayo recupere la dirección del rayo incidente después de haberse desviado en el vidrio. En cambio, la teoría ondulatoria prevé que eso es exactamente lo que debe ocurrir.

La fotografías adjuntas, tomadas en el laboratorio por alumnos de 3º ESO y de 2º Bachillerato, constatan que al pasar del aire al vidrio el rayo de luz (luz procedente de una bombilla de filamento en la fotografía de la izquierda, luz láser en la de la derecha) se desvía acercándose a la normal, y que a continuación, al pasar del vidrio al aire, se vuelve a desviar alejándose de la normal, con lo que recupera la dirección que tenía en el aire el rayo incidente.

Los estudiantes pueden constatar y/o aplicar la ley de la refracción trabajando sobre fotografías como las anteriores. En este experimento, tras medir los ángulos de incidencia y de refracción, también calculan el índice de refracción del vidrio. Además de hacerlo usando una regla y un medidor de ángulos encima del papel, también pueden trasladar la imagen a una animación Modellus y usar (tal como muestra la imagen adjunta) una herramienta de medición específica de ángulos de la que dispone este programa.

Para trazar el camino de cualquier rayo de luz que atraviesa una lente se tiene que aplicar la ley de la refracción en dos tránsitos consecutivos de la luz: el primero del aire al vidrio y el segundo del vidrio al aire. En cada uno de estos procesos de refracción el ángulo de incidencia y el ángulo de refracción se miden con respecto a una dirección normal que pasa por el punto de la superficie de separación entre los dos medios considerado y por el centro de curvatura de dicha superficie de separación. Estos conceptos se aplican en el dibujo adjunto, que muestra el recorrido de un rayo eje que atraviesa una lente biconvexa (centros de curvatura C₁ y C₂, direcciones normales en líneas punteadas de color azul).

Las fotografías mostradas a la derecha corroboran el dibujo anterior y constatan que los rayos refractados por una lente biconvexa avanzan por el otro lado en una dirección oblicua orientada hacia el eje de la lente. Por tanto, dicha lente es convergente, es decir, concentra la luz que procede "del infinito" (frentes de onda planos, rayos paralelos al eje) en un punto (foco de la lente).

Para mostrar el foco lentes convergentes se puede usar una puerta de triple rendija. Algunas lentes convergentes son la lente plano-convexa (fotografía de la izquierda), la lente biconvexa (fotografía de la derecha), el menisco cóncavo-convexo convergente (para que lo sea el radio de curvatura de la primera cara, cóncava, tiene que ser menor que el de la segunda, convexa), etc.

Los estudiantes también experimentan la refracción a través de lentes divergentes, como, por ejemplo, la  lente bicóncava. Tal como explica el diagrama de rayos adjunto (a la izquierda), en la primera refracción a través de esta lente (aire-vidrio), la luz se desvía acercándose a la dirección normal y, por tanto, se aleja del eje de la lente. En la segunda (vidrio-aire) la luz se aleja de la normal y también del eje.

Las fotografías adjuntas  muestran la divergencia de los rayos de luz, después de ser refractados por este tipo de lente.

Los experimentos sobre las lentes se han de completar realizando en clase actividades teórico-prácticas (de lápiz y papel)  sobre el proceso de construcción de imágenes a través de ellas. Estas actividades se pueden reforzar con ayuda de animaciones, como la adjunta, que, como vemos construye y localiza la imagen de un objeto extenso  a través de una lente convergente (se puede modificar a voluntad la posición de dicho objeto y también la del foco de la lente). La animación también calcula el tamaño de la imagen con respecto al del objeto.

Clic aquí para descargar la animación. Para abrirla en tu ordenador has de instalar el programa Modellus 2.5 (ordenadores de 32 bits) o usar aplicación Modellus 3 (ordenadores de 64 bits).

Del mismo modo, esta segunda animación construye y localiza la imagen de un objeto extenso, ahora a través de una lente divergente. Como la animación anterior, ésta también calcula el aumento de la imagen con respecto al objeto y se dispone de dos controladores manuales, para modificar la posición del objeto y la distancia focal de la lente. Si en el caso de la lente convergente la imagen podía ser real o virtual y, también, derecha o invertida (dependiendo de la posición relativa que con respecto al espejo tengan el objeto y la lente) en el caso de usar una lente divergente, la imagen siempre es virtual (se ve mirando a través de la lente desde el lado opuesto a donde se coloca el objeto) y de menor tamaño que el objeto.

Clic aquí para descargar la animación. Para abrirla en tu ordenador has de instalar el programa Modellus 2.5 (ordenadores de 32 bits) o usar aplicación Modellus 3 (ordenadores de 64 bits).

Cuando la luz viaja desde un medio donde tiene menor velocidad (índice de refracción mayor) hasta otro donde tiene mayor velocidad (índice de refracción menor), la refracción no siempre es posible. Hay un ángulo máximo de incidencia a partir del cual la luz sólo puede ser reflejada. El dibujo adjunto ilustra este concepto. En el medio 1 (puede ser, agua, vidrio, etc.) una fuente luminosa emite luz en todas las direcciones. Al refractarse esta luz hacia el medio 2 (puede ser, por ejemplo, aire), los rayos se desvían alejándose de la dirección normal y a medida que el ángulo de incidencia aumenta el ángulo de refracción también lo hace, pero no podrá superar el valor de 90º. Así, el ángulo de incidencia correspondiente a un ángulo de refracción igual a 90º es un ángulo límite y todos los rayos incidentes con una inclinación mayor no se pueden refractar.

El clip de video adjunto, gentileza del profesor jubilado Julio Santos Benito de la Universidad de Alicante, muestra un experimento sencillo para determinar el ángulo límite.

Un rayo láser incide sobre la superficie de separación de los medios, determinada, en este caso, por un transportados de ángulos graduado. Al ir rotando el transportador va aumentando el ángulo de incidencia del rayo láser y también, lógicamente, el correspondiente ángulo de refracción. Cuando este segundo ángulo (refracción) alcanza el valor de 90º, la luz láser ya no pasa al otro medio y podemos determinar directamente con el transportador el ángulo límite. A partir de ahí, mientras el transportador sigue rotando, comprobamos que el rayo láser es reflejado totalmente y que se cumple en todo momento la ley de la refracción (es decir, el ángulo incidente es igual al ángulo reflejado)

Las fotografías adjuntas las tomaron en el laboratorio alumnos de 2º Bachillerato. Normalmente un rayo de luz láser no se vería, ni en el agua, ni en el aire (fotografía más a la izquierda). Ahora bien, disolviendo en el agua una gotita de leche, ocurre que las partículas de la leche disuelta actúan como focos secundarios que sí son visibles y, en conjunto, muestran la trayectoria del rayo. Entonces, inclinando la fuente de luz láser se puede comprobar que dicho rayo se refleja totalmente en la superficie de separación con el agua (fotografía más a la derecha).

La propiedad que tienen las lentes convergentes de dirigir la luz hacia el foco tiene variadas aplicaciones. Una de ellas es concentrar luz solar en un área pequeña con intención de acumular energía térmica. El esquema adjunto representa lo que podría ser un concentrador solar casero aplicando esta idea. Los rayos del Sol inciden sobre la lente y son refractados por ella hacia el foco, donde podríamos colocar un cuerpo negro sumergido en agua. Como el cuerpo recibe de manera concentrada energía de la luz colectada en un área mucho mayor, su temperatura se eleva notablemente y calienta el agua que lo rodea.

Como anécdota curiosa se puede mencionar una noticia de 2010 sobre un incendio que se produjo en una vivienda de la localidad estadounidense de Dubois (Wyoming). Un empleado del correo escuchó una alarma de incendios dentro y pidió ayuda a la policía. La policía determinó que el incendio se había producido porque la luz solar que entraba por la ventana era concentrada por una lupa que apuntaba a una pila de correspondencia. El incendio se pudo controlar antes de que los daños a la casa fueran totales (el dueño de la vivienda no estaba en la casa cuando se produjo el fuego).

Terminamos comentando una aplicación de la reflexión total de enorme utilidad: La fibra óptica. Básicamente es un hilo muy fino de material plástico por el que se envía luz. El haz de luz no sale del plástico porque cada vez que incide en la superficie de separación con el exterior, lo hace con un ángulo de reflexión mayor que el ángulo límite de reflexión total.

La fotografía de la izquierda muestra un haz de cables de fibra óptica fibras óptica. Las otras dos fotografías corresponden a dos experimentos realizados en el laboratorio y constatan que la luz, al igual que hace en la fibra óptica, viaja a lo largo de una varilla recta de plástico y a lo largo de un capilar de vidrio doblado.