Refra E ReflexãO

Profa Cristiane Tavolaro CONSA/2008

Refração da Luz

Apresentação baseada no site www.fisica.ufc.br

(tintin por tintin)

http://www.fisica.ufc.br/


O que é a refração da luz

Por que a luz se desvia ao passar de um meio transparente para outro?

Desde o século XIX já se sabia que a luz é uma forma de onda que se propaga com alta velocidade. Mas, essa velocidade depende do meio por onde a luz está se propagando. No ar, a velocidade da luz é quase 300.000 quilômetros por segundo. No interior de um vidro transparente ela se reduz a uns "meros" 200.000 km/s. É essa mudança de velocidade que faz o feixe de luz se desviar ao passar do ar para o vidro.


Ao passar do ar para o vidro, por exemplo, onde sua velocidade se reduz, a onda de luz se desvia e a distância entre as cristas (o chamado "comprimento de onda") fica menor.


A figura ao lado esquematiza esse desvio da luz ao passar do ar para o vidro. A reta imaginária, perpendicular à superfície de separação entre os dois meios, chama-se "normal". Há uma relação simples entre o ângulo A que o feixe faz com a normal no ar, e o ângulo B, que faz com a normal no vidro. Na verdade, essa relação relacional os SENOS desses dois ângulos. Ela é:

sen A = índice de refração do vidro sen B índice de refração do ar

Usando os valores vistos na figura, achamos

senA/senB = 1,5

Esse número (1,5) foi batizado de "índice de refração". A relação acima é chamada de LEI de SNELL.


O grande matemático Pierre de Fermat concebeu uma explicação para essa relação. Digamos que uma onde de luz vá do ponto A (no ar) até o ponto B (no vidro). Qual será a trajetória seguida pela luz?

Existe, é claro, uma infinidade de caminhos possíveis. Três deles são mostrados nessa figura. Será que a luz vai pelo caminho (1), que é uma linha reta sem desvios?

Esse, é claro, é o caminho mais curto entre A e B. Ou será que vai pelo caminho (2) no qual passa mais tempo no ar, onde sua velocidade é maior?

Resposta: o caminho é aquele que segue a Lei de Snell, vista acima. Na figura, é a trajetória (3).

Fazendo as contas, verifica-se que esse caminho é aquele no qual a luz gasta o menor tempo para ir de A até B.

Qualquer outra opção seria mais demorada. Essa é a essência da explicação de Fermat. E vale em qualquer situação, isto é, a luz sempre percorre uma trajetória de tempo mínimo (não de distância mais curta).


A relação entre as velocidades da luz nos dois meios é chamada de índice de refração. Veja, na tabela ao lado, o valor da velocidade da luz em vários meios. Na última coluna vemos o índice de refração supondo que a luz vai do ar para o outro meio. Então, se a luz vai do ar para o vidro, o índice de refração n é dado pela divisão da velocidade da luz no ar (300.000 km/s) pela velocidade da luz no vidro (200.000 km/s). Logo, n = 1,5.

Quanto maior o índice de refração de um material, em relação ao ar, maior será o desvio da luz quando passa do ar para esse material. Veja, na figura abaixo, o desvio da luz quando passa do ar para os três meios relacionados na tabela acima. Em todos os casos, a luz incide na interface que separa os meios com um ângulo de 60o, para podermos comparar. O desvio é maior para o diamante, que tem o maior índice de refração.


Observe, também, que o caminho da luz é reversível. Isto é, a figura acima mostra a luz passando do ar para o outro meio, mas, também serve para mostrar a luz passando do outro meio para o ar. Por exemplo, se a luz vem da água com um ângulo de 40o, ela passará para o ar com um ângulo de 60o. Portanto, quando o feixe de luz passa de um meio para outro onde sua velocidade é maior, ele se afasta da normal. Essa observação é essencial para entender algumas conseqüências interessantes.


E o que acontece se a luz de uma fonte incandescente (branca-amarelada) incidir num meio refrator como um prisma por exemplo?

http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/scienceopticsu/refraction/refractionangles/index.html

http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/scienceopticsu/prism/index.html

http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/scienceopticsu/refraction/refractionangles/index.html

http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/scienceopticsu/prism/index.html


Vimos que um feixe de luz que sai da água para o ar se afasta da normal. Na figura ao lado, o feixe vem da água com um ângulo de 40o com a normal. Ao passar para o ar, se desvia e passa a fazer um ângulo de 60o

com a normal. Se o ângulo na água for aumentando, o ângulo no ar também aumenta. Quando o ângulo na água chega a 49,75o, o ângulo do feixe no ar passa a ser 90o, isto é, o raio de luz sai rasante à superfície da água. Esse ângulo de 49,75o

é o ângulo limite para a luz que sai da água para o ar. E, se a incidência se der com um ângulo maior que o ângulo limite, 60o, por exemplo? Nesse caso, toda a luz reflete na superfície e volta para a água.Isso se chama reflexão total.


Nessa animação a luz vai de baixo para cima, da água para o ar.

Observe que, quando o ângulo é menor que o ângulo limite, parte da luz reflete e outra parte refrata, ao mesmo tempo. Mas, quando o ângulo é maior que o ângulo limite, toda a luz reflete. É por isso que esse fenômeno se chama reflexão total.

http://www.upscale.utoronto.ca/PVB/Harrison/Flash/Optics/Refraction/Refraction.html

http://www.upscale.utoronto.ca/PVB/Harrison/Flash/Optics/Refraction/Refraction.html

http://www.pet.dfi.uem.br/animacoes/otica/otica009/index.html


sen i n2

_____=_____ sen r n1

mas se i = L então r = 900

Logo sen L = n 1 (menos refringente) n2 (mais refringente)

Cálculo do Ângulo Limite característico do meio

Quanto maior o índice de refração do meio de onde sai a luz, menor o ângulo limite. Portanto, maior a chance de haver reflexão total.

senL n2 (ar)_____=____ 1 n1 (vidro)


Agora fica mais fácil entender como se formam as miragens. Pense no deserto em pleno meio dia. A areia recebe uma enorme energia da luz do sol e se aquece, aquecendo, ao mesmo tempo, as camadas de ar que estão em contato com ela. O ar aquecido fica menos denso e, como conseqüência, fica com um índice de refração ligeiramente menor que o ar em camadas mais altas e menos quentes. Forma-se o que se chama um "gradiente de temperatura". Isso é apenas um termo para dizer que a temperatura do ar decresce com a altura a partir da areia. Com isso, o índice de refração aumenta um pouco com a altura. A figura ao lado dá um exemplo desses valores da temperatura e do índice de refração. Temperatura em graus Celsius


Objeto

Imagem

O Observador pode ver os dois!!!!


Miragens!!


A figura ao lado mostra como um peixe vê o corpo de uma garota que está dentro da água até a cintura. O peixe está situado a uma respeitosa distância de uns 10 metros da moça e vê essa curiosa imagem. Para entender porque ele vê a moça desse jeito, observe a figura a seguir.


Este raio sofre reflexão total e o peixe vê os pés da moça no ponto y!

Este raio sofre refração e o peixe vê a cabeça da moça acima da posição real, no ponto z.

Os raios 1 e 2 não sofrem desvio


O diamante tem um índice de refração n = 2,40. Com esse valor do índice de refração, o ângulo limite do diamante (em relação ao ar) é pouco maior que 24o.

Uma vez dentro do diamante, a luz só sai se incidir na superfície interna com um ângulo menor que esse. De 24o até 90o a luz reflete de volta.


Veja, na figura ao lado, como três raios de luz que entram paralelos entre si acabam saindo em direções completamente diversas.

Além disso, como a luz refratada se separa em suas componentes, pode acontecer que entre branca e saia de qualquer cor. A figura está um pouco exagerada nesse aspecto, apenas para ilustrar o efeito.


Prismas No interior do prisma a luz pode sofrer

uma reflexão total. Isto ocorre se na segunda face a luz incidir num ângulo maior do que o ângulo limite de incidência. Nesse caso, o prisma se transforma num prisma de reflexão total.

A vantagem dos prismas de reflexão total é que podemos dispor deles para efetuar desvios bastante simples e convenientes (como 90o e 180o).

Os prismas de reflexão total mais comuns e mais simples são aqueles cuja seção principal é um triângulo retangular isósceles. Nessas circunstâncias, se o prisma for de vidro imerso em ar se a luz incidir sobre uma das faces de menor comprimento segundo a normal, a luz deverá sofrer um desvio de 90o. O prisma funciona como um espelho disposto formando um ângulo de 45o.


As fibras ópticasAs fibras ópticas


Arco Íris!!




http://acacia.pntic.mec.es/~jruiz27/dispersion/arcoiris.html

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