PHYS  242  Lab  

Reflection  and  Refraction   In  this  lab  we  will  investigate  reflection  and  refraction  in  various   materials,  using  a  simulation  from  the  PhET  team.  The  simulation   is  available  at  the  following  link:   https://phet.colorado.edu/sims/html/bending-­‐light/latest/bending-­‐ light_en.html  

The  simulation  can  be  run  in  a  browser.  If  you  have  issues  with   the  simulation,  try  using  another  browser.  If  you  are  unable  to  run   the  simulation,  your  TA  will  provide  you  with  remote  assistance.   When  you  run  the  simulation,  choose  the  “More  Tools”  option.  

NOTE:  For  this  activity,  you  do  not  need  to  write  a  full  lab  report.   Instead,  answer  the  questions  that  are  included  in  this  lab.  Please   type  up  your  answers,  if  possible.  For  the  sketches,  you  can  take   pictures  and  include  the  images  in  your  write  up.  Submit  your   answers  to  these  questions  on    as  a  PDF.  If  you  need  help  with   this  process,  please  ask  your  TA  for  assistance.  

Part  I:  Basic  Reflection  and  Refraction  

When  you  begin  the  lab,  be  sure  to  select  the  “More  Tools”   option.  Note  that  there  are  other  options,  for  “Intro”  and   “Prisms.”  If  you  select  the  wrong  option,  you  can  return  to  the   “More  Tools”  version  at  the  bottom  of  the  screen.  

This  lab  provides  a  laser  pointer  that  shines  from  one  medium   into  another  medium.  Check  the  “Normal”  box  at  the  lower  left  to   show  the  normal  line  that  is  perpendicular  to  the  surfaces.  Turn   the  laser  pointer  on  by  clicking  the  red  button.  You  will  then  see   the  beam  travel  through  Medium  1  and  hit  the  interface  with   Medium  2.  One  part  of  the  beam  is  reflected  back  into  Medium  1,  

while  the  other  is  refracted  in  Medium  2.  We  can  change  the   materials  and  the  indexes  of  refraction  on  the  right.  The  default   version  is  air  (n1  =  1.000)  to  glass  (n2  =  1.500).  You  can  also  change   the  wavelength  of  the  laser  pointer  in  the  upper  left  corner.  In   this  box  there  are  also  options  to  see  the  light  beam  as  a  ray  or  a   wave.  For  most  of  these  problems,  you  will  probably  find  it  easier   to  use  the  “Ray”  view.  Finally,  on  the  right  side  there  are  several   tools  you  may  find  useful,  including  a  protractor  and  probes  to   measure  intensity,  speed,  and  the  oscillation  of  the  waves.  

For  the  first  part  of  this  simulation,  use  the  protractor  to  set  the   incident  angle  of  the  laser  beam  at  60°.  Set  the  wavelength  of  the   laser  pointer  to  700  nm.  Set  Medium  1  (where  the  laser  pointer  is)   to  be  air  and  Medium  2  to  be  glass.  

Question:  What  is  the  angle  of  the  reflected  part  of  the  beam?   What  is  the  angle  of  the  refracted  beam?  Compare  these  to  the   expected  values  from  the  equations.  

Copyright  2020  

PHYS  242  Lab  Week  13  Lab  

Question:  Use  the  intensity  probe  to  measure  the  intensity  of  the   incident,  reflected,  and  refracted  beams.  Which  is  most  intense?   Does  this  make  sense?  

Question:  Use  the  speed  probe  to  measure  the  propagation  speed   of  the  beam  in  the  two  media.  Does  the  speed  change?  Explain.   Does  this  contradict  the  statement  that  “the  speed  of  light  is   constant”?  

Question:  Select  the  wave  option  in  the  top  left  corner.  This  will   show  the  propagation  of  the  light  waves,  slowed  down  so  that  we   can  see  the  individual  peaks  and  troughs.  The  time  probe  will  

allow  you  to  see  the  intensity  at  two  points  as  a  function  of  time.   Based  on  this  observation,  what  do  you  notice  about  the   frequency  and  wavelength  of  the  beam  as  it  is  reflected  and   reflected?  Discuss.  

Part  II:  Dispersion  

Now  change  the  wavelength  of  the  laser  pointer  to  380  nm.  Keep   your  incident  angle  set  to  60°  with  an  air  to  glass  interface.  Make   sure  you  select  the  “Angles”  box  in  the  bottom  left-­‐hand  corner  of   the  screen  

Copyright  2020  

PHYS  242  

Question:  Do  the  angles  of  the  reflected  and  refracted  beams   change  from  the  values  in  Part  I?  Why?  

Question:  A  laser  pointer  produces  light  at  a  single  wavelength.   Suppose  instead  that  we  were  observing  a  source  that  produces   light  at  all  wavelengths,  like  the  Sun.  What  would  an  observer   inside  the  glass  see  if  they  looked  up  at  the  sunlight  traveling   through  air?  

Part  III:  Total  Internal  Reflection  

Now  switch  the  media,  so  that  the  laser  pointer  is  in  glass  at  the   top,  with  air  at  the  bottom.  Keep  the  incident  angle  set  to  60°  and   the  frequency  set  to  380  nm.  

Question:  What  are  the  angles  of  the  reflected  and  refracted   beams?  Explain  your  observation,  using  Snell’s  Law.  

Question:  What  critical  angle  do  you  need  to  ensure  that  some   light  will  be  refracted  from  the  glass  into  the  air?  Compare  the   value  in  the  simulation  with  your  calculated  value.  

Copyright  2020  

PHYS  242  Lab  Week  13  

Part  IV:  Mystery  Media  

We  will  now  determine  the  indexes  of  refraction  for  two  Mystery   materials,  A  and  B.  These  materials  can  be  selected  from  the  list   of  materials  on  the  last  page  of  this  lab.  Be  sure  to  set  your  laser   pointer  to  a  frequency  of  589  nm.  

Question:  Devise  an  experiment  for  determining  the  indices  of   refraction  for  these.  Explain  your  methodology.  What  are  the   indices  of  refraction  for  the  two  media?  

Question:  Below  is  a  table  of  indexes  of  refraction  from  Serway  &   Jewett.  Based  on  your  predicted  indices  of  refraction,  can  you   identify  any  possible  substances  for  Mystery  A  and  Mystery  B?  

Copyright  2020  

PHYS  242  Lab