refração da luz

REFRAÇÃO DA LUZ www.fisicalatual.com.br

À passagem da luz de um meio para outro damos o nome de refração.Quando a luz passa de um meio material para outro meio ocorre duas coisas. A primeira é que a velocidade da luz muda. A segunda é que quando a incidência é oblíqua, a direção de propagação também muda.

CONCEITO DE REFRAÇÃO

Refração da luz ao passar do ar para a água

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LUZ

Há desvio

R.I

R.R

Quando a luz índice obliquamente à superfície de separação de dois meios transparentes, a refração é acompanhada de mudança na direção de propagação da luz.


ar

água

R.I

R.R

Quando a luz incide perpendicularmente à superfície de separação de dois meios transparentes, a refração não é acompanhada de mudança na direção de propagação da luz.


A refração sempre vem acompanhada da reflexão.


ÍNDICE DE REFRAÇÃO

Ao mudar de meio, a luz muda de velocidade. Isto é de certa forma esperado, pois ao aumentarmos a densidade de um meio maior será a dificuldade de propagação nele. A velocidade da luz no vácuo é a maior que qualquer objeto pode atingir. Simbolizamos por “c” a velocidade da luz no vácuo. Num outro meio qualquer a velocidade da luz (V) é menor que “c”.

O índice de refração de um meio é a razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz no meio considerado.

n = C

V

O índice de refração não tem unidade, é uma grandeza adimensional.

c = velocidade da luz no vácuo (m/s)

c = 3 x 108 m/s

v = velocidade da luz no meio (m/s)

UNIDADE:

c m/sv m/s

n = c m/s

V m/s


EXEMPLOS:

n VÁCUO = 1 n AR = 1 n ÁGUA = 1,3 n VIDRO = 1,5

˜v VÁCUO = 3 x 108 m/s v AR = 3 x 108 m/s v ÁGUA = 2,25 x 108 m/s v VIDRO = 2 x 108 m/s

˜

REFRINGÊNCIA

+

-

n

+

-

V

+

-n 1

V


AR

ÀGUA

LUZ

Por que, para incidências obliquas, a luz desvia ?

Menos refringente

Mais refringente

Uma parte da onda luminosa entra no meio mais refringente, passando a ter uma velocidade menor, enquanto a outra parte da onda luminosa continua no meio menos refringente com uma velocidade maior, ocorrendo o desvio.


1

2

R.I

R.R

mais refringente

menos refringente


1

2

R.I

R.R

menos refringente

mais refringente

Toda onda luminosa entra no meio mais refringente, passando a ter uma velocidade menor. Nenhuma parte de onda se atrasa em relação a outra.

Por que, para incidências perpendiculares, a luz não desvia ?


RI

RR

NORMAL

AR

ÁGUA

RI : RAIO INCIDENTE RR : RAIO REFRATADO

www.fisicalatual.com.brLEIS DA REFRAÇÃO

I

R

Normal

Raio incidente

Raio refratado

1ª Lei: O raio incidente, a reta normal ao ponto de incidência e o raio refratado, estão no mesmo plano.


RI

RR

NORMAL

AR

ÁGUA

i

r

i = ângulo de incidênciar = ângulo de reflexão

Alterando o ângulo “i” haverá uma alteração no ângulo “r”.


I

R

Normal

i

r

Raio incidente

Raio refratado

Meio 1

Meio 2

2 a Lei: O produto do índice de refração absoluto de um meio pelo seno do ângulo que a luz forma com a normal nesse meio, é constante para os dois meios:

n1 x sen i = n2 x sen r

I

R

Normal

i

r

Raio incidente

Raio refratado

Luz passando do meio menos para o meio mais refringente:

Neste caso podemos dizer que o raio refratado aproxima-se da normal


I

R

Normal

i

r

Raio incidente

Raio refratado

Neste caso podemos dizer que o raio refratado afasta-se da normal

Luz passando do meio mais para o meio menos refringente:


I

R

Normal

i=0º

r=0º Raio refratado

Neste caso teremos uma refração sem desvio

Incidência perpendicular:

Raio incidente


APLICAÇÕES DA REFRAÇÃO

a) Posição aparente dos astros:

A luz do Sol passará de um meio menos refringente (vácuo) para um meio mais refringente (atmosfera). Ela irá se aproximar da normal.

Devido a este desvio, o observador verá o astro deslocado.


Com a refração da luz na atmosfera, o dia torna-se mais longo, isto é, o nascer do Sol é visto antes de ele realmente estar na linha do horizonte e o pôr-do-sol, depois.


A luz do Sol refletida pela Lua, também se aproxima da normal ao penetrar na atmosfera terrestre:


Um objeto “O” está sendo observado de fora d’água. Os raios luminosos emitidos pelo objeto, ao passarem do ar para a água, afastam-se da normal. Eles atingem o olho do observador como se tivessem sido emitidos de “I”. O observador não verá o objeto “O”. Verá a imagem virtual “I” do objeto. É por isso que quando olhamos o fundo de uma piscina, ela nos parece mais rasa.

b) Profundidade aparente:www.fisicalatual.com.br

Água

Ar

n

n

p

'p


Quando uma parte do lápis é mergulhado obliquamente dentro d’água, o lápis parece estar quebrado. Isto ocorre porque a parte mergulhada não é vista por nós, mas sim sua imagem virtual, situada acima da posição real do objeto.


REFLEXÃO TOTAL

Considere um raio de luz se propagando de um meio menos refringente ( nar=1) para um meio mais refringente ( nágua=1,33). Nesse caso o raio refratado r se aproxima da normal. (figura 1). Aumentando o ângulo de incidência para i’, o ângulo de refração aumenta para r’ (figura 2). O máximo de aumento do ângulo de incidência ocorre na figura 3, onde i’’ = 90o e que corresponderá a um ângulo de refração r’’. Nesse caso, o raio de luz incide praticamente paralelo à superfície da água (incidência rasante) e não é mais possível aumentar o ângulo de incidência.


Agora vamos fazer o caminho inverso, ou seja, vamos fazer a luz se refratar da água para o ar e pelo princípio da reversibilidade a luz percorre o mesmo caminho das figuras anteriores, só que no sentido inverso. Verifique na figura 3 que, quando a luz incide na superfície da água com ângulo r’’, ela se refrata no ar praticamente paralelo à superfície da água (emergência rasante). Nesse caso específico, denominamos r’’ de ângulo limite L.

A partir daí começa o que denominamos de reflexão total. Para qualquer ângulo de incidência maior que o ângulo limite L ( i > L), o raio de luz sofre reflexão total ou reflexão interna retornando à água tal que i = r .

Considere dois meios homogêneos e transparentes A e B, tal que nA > nB e com a luz se refratando de A para B.

Aplicando a lei de Snell-Descartes na figura acima, temos: nA.sen L = nB.sen90o nA.sen L = nB.1

A

B

n

n L sen

www.fisicalatual.com.brCálculo do ângulo limite:

Uma fibra óptica é um fio muito fino e flexível, feito com um material extremamente transparente. O diâmetro usual de uma fibra óptica é de 50 mícrons, isto é, 0,05 milímetros. O material da fibra é, em geral, a sílica (óxido de silício, SiO2), pura ou misturada com outros materiais. A sílica das fibras feitas atualmente tem um grau tão elevado de pureza e transparência que a luz passa por ela perdendo muito pouca intensidade. Um vidro de janela tem, normalmente, uns 5 milímetros de espessura. Uma janela hipotética, feita com a sílica usada nas fibras, teria de ter uns 10 quilômetros de espessura para absorver o mesmo que a janela de vidro comum de 5 milímetros!

Fibra Óptica


A fibra tem um núcleo de sílica e uma interface de sílica misturada com outro material de menor índice de refração. O conjunto é protegido por uma capa plástica. Por causa da diferença de índice de refração entre o núcleo e a interface, um feixe de luz fica confinado no interior da fibra e viaja por ela como a água em um cano. O ângulo com que o feixe incide sobre a interface é sempre maior que o ângulo limite, fazendo com que a luz se reflita totalmente e fique presa no interior do núcleo. Diferentemente de um fio de cobre, a fibra não sofre interferências de campos elétricos e magnéticos. Além disso, usando freqüências ligeiramente diferentes, é possível transmitir milhares de sinais por uma única fibra, sem perigo de aparecer linha cruzada.


I>L

I<L

I<L

Reflexão total

Ar frio

Ar quente

Ar mais quente

Ar muito quente

Asfalto

Miragem

O Sol em contato com o solo deixa o ar perto do solo mais quente e consequentemente menos refringente que o ar das camadas superiores. Isso faz com que os raios de luz sofram reflexão total em camadas próximas ao solo, subam e atinjam os olhos de um observador, que terá a impressão de que no solo existe um espelho fornecendo a imagem do objeto.


Lapidação

A lapidação, isto é, a forma como a pedra é cortada, com muitas faces em ângulos variados, ajuda a intensificar o brilho da pedra. Mas, se for um mero vidro, com seu modesto índice de refração 1,50, não há lapidação que consiga reproduzir o brilho de um diamante. 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 se reflete de volta. Luz

Branca violeta vermelhaMenor que 24,50, a luz sofre refração.

Maior que 24,50, a luz sofre reflexão total.


AR

ÁGUA

Normal

i

r

Raio incidente

Raio refratado

Meio 1

Meio 2

AR

Normal

i

r'

Raio incidente

Raio refratado

Meio 1

Meio 2 ÁGUA

DISPERSÃO DA LUZ

Como r’ é menor que r, a luz verde, ao se refratar na água, sofre maior desvio, aproximando-se mais da normal do que a luz vermelha. Logo, a água apresenta índice de refração maior para a luz verde do que para a luz vermelha. Qualquer meio material apresenta um índice de refração diferente para cada cor.

O índice de refração absoluto de um meio muda quando se muda a cor de luz usada para medi-lo.


VermelhoAlaranjadoAmareloVerdeAzulAnil

Violeta

Quando um raio de luz branca incide num prisma, penetra nele separando-se num espectro de cores: é o fenômeno da dispersão da luz branca.


Dispersão da luz branca do Sol.

Recombinação da luz dispersada.

A luz vermelha não se dispersa.


Gota de Chuva

Luz solar (branca)

violeta

vermelho

Um arco-íris se forma devido à dispersão da luz do Sol em gotas de água na atmosfera. Após incidir sobre as gotas de água na atmosfera, raios de luz são refratados; em seguida, eles sofrem reflexão total e são novamente refratados.

O ARCO - ÍRIS

O arco-íris aparece após as chuvas quando o Sol se encontra a menos de 540 acima da linha do horizonte.


Luz branca (solar)

Direção

do raios

solares

Gota de ChuvaFaixa colorida violeta do arco-íris.

violeta

Todas as gotas que enviam uma determinada cor de luz ao olho do observador estão sobre uma circunferência. Devido a isso, ele vê o arco-íris de forma circular.


Luz branca (solar)

violetave

rmelho

VermelhoAlaranjado

Amarelo

Verde

Azul

Anil

Violeta


Por que o céu é azul?

Quando olhamos a cor de algo, é porque este "algo" refletiu ou dispersou a luz de uma determinada cor associada a um comprimento de onda. Devido ao seu pequeno tamanho e estrutura, as minúsculas moléculas da atmosfera difundem melhor as ondas com pequenos comprimentos de onda, tais como o azul e violeta. As moléculas estão espalhadas através de toda a atmosfera, de modo que a luz azul dispersada chega aos nossos olhos com facilidade. Luz azul é dispersada dez vezes mais que luz vermelha. Luz violeta tem comprimento de onda menor que luz azul, portanto dispersa-se mais na atmosfera que o azul. Porque então não vemos o céu violeta ? Porque não há suficiente luz ultravioleta. O sol produz muito mais luz azul que violeta.


Quando o céu está com cerração, névoa ou poluição, há partículas de tamanho grande que dispersam igualmente todos os comprimentos de ondas, logo o céu tende ao branco pela mistura de cores. Isso é mais comum na linha do horizonte. No vácuo do espaço extraterrestre, onde não há atmosfera, os raios do sol não são dispersos, logo eles percorrem uma linha reta do sol até o observador. Devido a isso os astronautas vêem um céu negro. Em Júpiter o céu também é azul porque ocorre o mesmo tipo de dispersão do azul na atmosfera do planeta como na Terra. Porém em Marte o céu é cor de rosa, já que há excessiva partículas de poeira na atmosfera Marciana devido à presença de óxidos de ferro originários do solo. Se a atmosfera de Marte fosse limpa da poeira, ela seria azul, porém um azul mais escuro já que a atmosfera de Marte é muito mais rarefeita.


A cor avermelhada do Sol também é conseqüência do espalhamento diferenciado das cores que formam a luz branca. Quanto maior for a camada de atmosfera que a luz solar atravessa até atingir a Terra, maior é a quantidade de luz azul dispersada. É por esse motivo que, ao amanhecer e ao entardecer, o Sol apresenta uma cor mais avermelhada que ao meio dia: grande quantidade de luz foi dispersada para o céu. Quando o sol está no horizonte, a luz percorre um caminho muito maior através da atmosfera para chegar aos nossos olhos do que quando está sobre nossas cabeças. A luz azul nesse caminho foi toda dispersada, a atmosfera atua como um filtro , e muito pouca luz azul chega até você, enquanto que a luz vermelha que não é dispersada e sim transmitida alcança nossos olhos com facilidade. Nessa hora a luz branca está sem o azul.

Pôr - do - Sol www.fisicalatual.com.br

Por que as nuvens são brancas?

As nuvens são compostas por gotas de água de diferentes tamanhos, e não de vapor d’água como algumas pessoas pensam. O vapor se condensa na forma de gotas em torno de partículas de poeira, fumaça e sal, suficientemente leves para permanecerem suspensas no ar. A grande maioria das gotas têm dimensões microscópicas (na ordem de um milésimo de milímetro). Como há uma grande diversidade de tamanhos, cada gota espalha a luz proveniente do Sol de uma maneira diferente. A luz solar é composta por todas as freqüências do chamado espectro visível (que vai do vermelho ao violeta). Dependendo do seu tamanho, a gota de água espalha uma determinada freqüência. As gotas maiores espalham as baixas freqüências (vermelho, amarelo etc.) enquanto as gotas menores espalham as de altas freqüências (azul, violeta etc.). A combinação do espalhamento de todas as cores tem como resultado a cor branca.


Por que as nuvens, que são brancas, ficam escuras anunciando um temporal, ou durante ele ficam "pretas"?

- A parte de baixo das nuvens fica escura simplesmente porque está fora do alcance da luz, que não consegue atravessar os "nimbus". A parte de cima reflete toda a luz do Sol e deixa o resto na sombra.

O contraste com a parte brilhante parece deixar a parte escura ainda mais escura do que realmente é.


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