Aula nº2 – Reflexão e refração da luz

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Para estudar os fenómenos associados à propagação das ondas eletromagnéticas considera-se que a luz é constituída por raios de luz – ondas eletromagnéticas que se propagam numa direção bem definida.

 

 

• Reflexão

 

Quando a luz, que se propaga num meio, atinge uma superfície que delimita outro meio e é refletida, altera a sua direção e sentido de propagação mantendo-se no mesmo meio.

 

A reflexão diz-se:

⇒especular, se ocorre numa superfície perfeitamente polida;

⇒ difusa, se ocorre numa superfície rugosa.

Leis da Reflexão da Luz:

⇒  1.ª  o raio incidente, a normal à superfície de separação no ponto de incidência e o raio refletido encontram-se no mesmo plano.

⇒ 2.ª o módulo do ângulo de incidência, medido em relação à normal à superfície de incidência, é igual ao módulo do ângulo de reflexão.

| α_i | = | α_r |

 

Na reflexão, a onda incidente e a onda refletida apresentam a mesma frequência, comprimento de onda e velocidade de propagação, podendo apenas existir diferença nas intensidades das ondas.

 

A reflexão da luz está na base de várias aplicações como:

⇒ os espelhos retrovisores nos veículos, para que o condutor possa ver o que se passa atrás da viatura;

⇒ a leitura do código de barras, que permite a identificação de produtos;

⇒ os radares, para detetar objetos distantes.

 

http://www.schoolphysics.co.uk/animations/Light%20and%20optics%20animations/Reflection/index.html

 

Exercícios

1. O periscópio é um aparelho que serve para ver imagens que se encontram fora do ângulo de visão.

Nos submarinos é utilizado para orientação, mas também pode ser utilizado por diversão, por exemplo, para espreitar por cima de um muro. Os mais simples são constituídos por um tubo oco com dois espelhos planos nas extremidades, como mostra a figura ao lado.

1.1 De acordo com a figura, em que fenómeno ótico se baseia o funcionamento do periscópio?

1.2 Indica o valor dos ângulos de incidência e de reflexão nos espelhos.

1.3 Qual é a relação entre a frequência da luz que entra no periscópio e a que chega ao olho humano? Justifica.

 

2. Olhando para a superfície de um pequeno charco com água, segundo uma direção que faz 47° com a horizontal, a Margarida vê a imagem do rosto do Pedro.

Considerando que este se encontra à sua frente, na mesma direção, mas do lado oposto, a 1,95 m do ponto de incidência do feixe de luz no charco, determina a altura estimada do Pedro.

 

 

• Refração

Quando a luz incide na superfície de separação de dois meios, para além de ser refletida também pode ser transmitida. É o que acontece quando a luz visível passa do ar para a água ou para o vidro, meios transparentes a este tipo de luz.

 

Quando a luz passa de um meio para outro a sua velocidade altera-se, pois depende das características do meio. Essa variação da velocidade provoca, em geral, um desvio da direção da luz.

 

Ao desvio da direção de propagação da luz quando esta muda de meio chama-se refração da luz.

 

Quando a luz, que se propaga num meio, atinge uma superfície que delimita outro meio e é refratada passa a propagar-se nesse meio numa direção diferente.

A velocidade com que a luz se propaga num determinado meio depende do índice de refração desse meio.

 

Desvio da direção de propagação da onda ao passar de um meio para outro, em consequência da diferente velocidade de propagação nos dois meios.

Quanto maior for essa diferença de velocidades, maior será o desvio.

 

 

• Índice de refração

Razão entre a velocidade de propagação da luz no vazio e a velocidade de propagação da luz nesse meio:

⇒ n é adimensional;

⇒ n_meio ≥ 1 pois v_meio ≤ c ;

⇒ n_ar ≈ 1,00 pois v_ar ≈ c;

⇒ v é  tanto maior quanto menor for n.

O maior ou menor desvio da onda eletromagnética quando passa de um meio para outro meio diferente depende do índice de refração de cada meio.

 

O índice de refração é maior do que 1 em todos os materiais onde ocorre propagação da luz (exceto no vácuo, onde é 1), pois a velocidade da luz no vácuoé a velocidade máxima de propagação.

 

 

 

O índice de refração de um meio também pode variar com o comprimento de onda da luz que o atravessa.

É essa variação que explica a dispersão da luz.

 

Quanto maior for o índice de refração menor será a velocidade de propagação da onda.

O índice de refração no vidro para luz visível é diferente para cada frequência de luz diferente.

O índice de refração aumenta do vermelho para o violeta, significando que a velocidade de propagação diminui do vermelho para o violeta.

Quanto menor for a velocidade de propagação no vidro, maior será o desvio da luz quando passa do ar para o vidro ou do vidro para o ar.

 

 

Na refração, a onda  refratada apresenta:

⇒ a mesma frequência da onda incidente;

⇒ uma intensidade geralmente inferior pois ocorre simultaneamente reflexão e absorção;

⇒ um comprimento de onda e uma velocidade de propagação diferentes da onda incidente, cuja relação depende da relação entre os índices de refração dos dois meios:

Na refração:

⇒ se n₁ < n₂, então v₁ e λ₁ são superiores a v₂ e  λ₂ e a onda refratada aproxima-se da normal;

⇒ se n₁ > n₂, então v₁ e λ₁ são inferiores a v₂ e  λ₂ e a onda refratada afasta-se da normal;

 

• Leis da Refração da Luz:  (Leis de Snell-Descartes)

⇒ 1.ª  o raio incidente, a normal à superfície de separação no ponto de incidência e o raio refratado encontram-se no mesmo plano;

⇒ 2.ª a razão entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração é constante e igual à razão entre os índices de refração dos meios 2 e 1, logo:

n₁ sen α_i = n₂ sen α_r

 

Em geral, a refração da luz ocorre em simultâneo com a reflexão e com a absorção.

 

Se a luz incidir na face de um bloco paralelepipédico de vidro, chamado «lâmina de faces paralelas», ela reflete-se e refrata-se na fronteira ar-vidro; transmite-se depois no vidro até encontrar a fronteira vidro-ar; aí volta a refletir-se e a refratar-se, passando para o ar novamente com um desvio.

 

 

 

Exercícios

1. Um raio de luz que se propaga no ar incide na superfície plana de um vidro ótico transparente (n_vidro = 1,52) segundo um ângulo de 30,0° com a normal à superfície.

Sabendo que o comprimento de onda da radiação no ar é 589 nm, determina:

1.1 o ângulo de refração.

1.2  a velocidade com que a radiação se propaga no vidro.

1.3  o comprimento de onda da luz quando esta se propaga no vidro.

 

2. Considera a trajetória efetuada por um raio de luz, apresentada na figura abaixo.

O ângulo incidente apresenta o valor 60,0°, sendo os índices de refração dos meios 1 e 2, respetivamente, 1,00 e 1,36.

2.1 Que fenómeno ótico está representado na figura?

2.2 Determina o valor do ângulo de refração.

2.3 Compara, justificando, a velocidade de propagação e o comprimento de onda das ondas incidente e refratada.

 

 

• Reflexão total

 

Efeito que ocorre quando a radiação que incide numa superfície que delimita dois meios distintos não sofre refração sendo totalmente refletida.

 

https://phet.colorado.edu/pt/simulation/legacy/bending-light

 

Quando a luz passa de um meio com maior índice de refração (como o vidro) para um meio com menor índice de refração (como o ar), deixa de ocorrer refração a partir de um certo ângulo de incidência: a luz já não passa para o segundo meio, refletindo-se totalmente. Ocorre reflexão total.

 

O ângulo máximo de refração é 90°. Nesse caso, o correspondente ângulo de incidência é chamado ângulo limite, α_lim, ou ângulo crítico. Para ângulos de incidência superiores deixa de haver refração e a reflexão é total.

 

Só ocorre reflexão total quando:

⇒ o raio incidente se dirige de um meio com maior índice de refração (menor v) para outro com menor índice de refração (maior v), afastando-se da normal (n₁ > n₂);

⇒ o ângulo de incidência é superior ao ângulo limite (α_i > α_c).

 

 

• Ângulo limite ou ângulo crítico

Ângulo de incidência a partir do qual todos os raios incidentes são totalmente refletidos na superfície que separa os dois meios.

Na situação limite o ângulo incidente é igual ao ângulo limite α_c e o ângulo de refração é 90°, logo:

• Uma aplicação da reflexão total é a fibra ótica.

 

A fibra ótica constitui uma das aplicações mais importantes da reflexão total.

Núcleo cilíndrico onde a luz se propaga sofrendo múltiplas reflexões.

É feito de um material de elevada transparência, baixa capacidade de absorção e elevado índice de refração.

⇒ As fibras óticas são constituídas por um núcleo central revestido por outro material cujo índice de refração é inferior ao do núcleo.

⇒ Para evitar uma atenuação significativa do sinal, o material que constitui o núcleo deve apresentar uma elevada transparência à radiação a transmitir.

⇒ As fibras óticas têm inúmeras aplicações como: decoração, cabos óticos ou sensores e instrumentos médicos.

 

 

 

As fibras óticas possuem uma elevada importância na sua aplicação em comunicações: são utilizadas em redes de computadores, nas redes de telefone, televisão e internet, etc.

 

 

Exercícios

1. Um grupo de alunos pretendia testar as condições de reflexão total da luz. Para isso dispunham de um feixe laser vermelho e de um paralelepípedo de poliestireno.

1.1 Indica, justificando, se a reflexão total da luz se obtém do ar para o paralelepípedo ou do paralelepípedo para o ar?

1.2 Determina o ângulo limite nas condições referidas na alínea anterior.

 

2. Determina o ângulo de incidência mínimo,  θ_i, que um raio de luz, que se propaga no ar, terá de apresentar para garantir que existirá reflexão interna total da luz numa fibra ótica, como representado na figura.