2.2.2 Fenómenos ondulatórios Reflexão e refração de ondas Leis da reflexão e da refração Difração de ondas

Uma onda que se propaga num meio e encontra outro meio pode dar origem aos seguintes fenómenos: Reflexão da onda: a onda é desenvolvida para o primeiro meio; Transmissão da onda: a onda continua a propagar-se no segundo meio e este diz-se transparente a essa onda, ou seja, deixa-se atravessar por ela; Absorção da onda: o segundo meio absorve a onda e diz-se opaco a essa onda.

É a reflexão das ondas eletromagnéticas com frequência na zona do visível que nos permite ver uma imagem num espelho ou observar o que nos rodeia. Os raios luminosos são linhas que indicam a direção e sentido de propagação das ondas de luz. Quando os raios luminosos paralelos incidentes refletem-se originando raios refletidos paralelos e a imagem é só vista na direção dos raios refletidos, chama-se reflexão é especular ou regular.

Quando os raios luminosos paralelos incidentes refletem-se originando raios refletidos que se espalham em várias direções e a imagem é vista em muitos sítios, tantos quantos forem atingidos pelos raios refletidos, chama-se reflexão difusa. Estes dois fenómenos podem ocorrer em simultâneo, predominando um sobre o outro consoante o polimento das superfícies. Por exemplo: a superfície de um livro deve ser pouco polida para que predomine a reflexão difusa.

A maior parte das ondas que chegam aos ouvidos são ondas refletidas nas paredes, contêm a mesma frequência da onda incidente mas normalmente, a intensidade menor devido ao fenómeno de absorção. A reflexão do som pode, também, ser especular ou difusa, consoante o polimento das superfícies: quanto mais polida e regida for a parede menos espalhamento existira das ondas e mais intenso será o som.

Além disso, o som pode ser conduzido no interior de tubos devido a múltiplas reflexões. A reflexão tanto do som como da luz, está na origem de sistemas de localização naturais ou artificiais. Os morcegos, alguns golfinhos baleias, pássaros, os sonares, as ecografias e os sensores de estacionamento nalguns carros mais recentes orientam-se por ecolocalização.

A ecolocalização consiste na emissão de ultrassons que incidem nos obstáculos sendo refletido por estes.

Quando a luz é transmitida para um segundo meio pode ser total ou parcial. O fenómeno de absorção é manifestado pelo aquecimento da superfície. Quando a luz é transmitida de um meio para o outra dá-se a refração da luz. Esta «quebra» do raio é explicada pela mudança de direção do feixe luminoso ao passar do meio menos denso para o mais denso.

A refração é o desvio de uma onda quando passa de um meio para o outro é provocada pela diferença de velocidade da onda nos dois meios. Quanto maior for essa diferença, maior será o desvio da direção da luz quando passa de um meio para o outro.

Na refração, a frequência não se altera, mas altera-se a velocidade o comprimento da onda. Estes fenómenos como a reflexão (difusa ou especular), a absorção e a refração, podem ocorrer simultaneamente. Ex.: Se tivermos uma superfície lisa de separação entre dois meios transparentes, como um vidro muito limpo de uma montra, dar-se-á a reflexão especular e a refração, não existindo praticamente reflexão difusa.

A absorção da luz depende: Da espessura do meio e do material constituinte. Para o mesmo material, quanto mais espesso for o meio, maior será a absorção. Meios diferentes com igual espessura absorvem radiação de modo diferente; Das frequências da luz incidente. Se tivermos um filtro vermelho onde incida luz branca, esta pode emergir vermelha depois de atravessar um material que absorva mais luz verde e azul.

A reflexão, absorção e transmissão das ondas obedecem à lei da conservação da energia. Da energia da onda incidente, Ei, parte será refletida, Er, outra parte transmitida para o segundo meio, Et, e a parte restante absorvida por este último meio, Ea: A repartição de energia depende da frequência da onda incidente, do ângulo de incidência e do tipo de materiais.

O modelo do raio luminoso serve de base à ótica geométrica O modelo do raio luminoso serve de base à ótica geométrica. Um fino feixe laser é muito parecido com um raio luminoso. Ideias básicas da ótica geométrica: A propagação retilínea da luz no vazio ou em meios homogéneos; Independência dos raios luminosos, isto é, o percurso de um raio luminosos pode ser analisado independentemente dos outros raios, mesmo que se cruzem uns com os outros. A trajetória de um raio luminoso é determinada pelas leis da reflexão e refração.

Leis da reflexão O raio incidente (i), a normal à superfície no ponto (n) e o raio refletido (r) estão no mesmo plano. O ângulo de incidência, α, e o ângulo, β, são iguais. α β Um raio é refletido quando incide numa superfície.

𝑛= 𝑐 𝑣 ⇔ 𝑐 𝑣 2 ×𝑠𝑒𝑛 𝛼 2 = 𝑐 𝑣 1 ×𝑠𝑒𝑛 𝛼 1 ⇔ 𝑣 1 𝑣 2 = 𝑠𝑒𝑛 𝛼 1 𝑠𝑒𝑛 𝛼 2 O índice de refração da luz num meio é a razão entre a velocidade de propagação no vazio e nesse meio, dado por: 𝑛= 𝑐 𝑣 ⇔ 𝑐 𝑣 2 ×𝑠𝑒𝑛 𝛼 2 = 𝑐 𝑣 1 ×𝑠𝑒𝑛 𝛼 1 ⇔ 𝑣 1 𝑣 2 = 𝑠𝑒𝑛 𝛼 1 𝑠𝑒𝑛 𝛼 2 c – velocidade da luz no vácuo (vazio) v – velocidade da luz num dado meio

O índice de refração também pode ser dado como: Isto é, o índice de refração do meio 1 relativamente ao meio 2 Assim, o índice de refração da luz e a sua velocidade nesse meio são inversamente proporcionais.

leis da refração (leis de Snell Descartes)    

Como a velocidade de propagação da luz no ar é praticamente igual à da luz no vazio, o índice de refração do ar é 1,00. Logo, 𝒔𝒆𝒏 𝜶 𝟐 𝒔𝒆𝒏 𝜶 𝟏 = 𝒏 𝟐 𝒏 𝟏 ⇔ 𝒔𝒆𝒏 𝜶 𝟐 𝒔𝒆𝒏 𝜶 𝟏 = 𝒏 𝟐 , dado que 𝒏 𝟏 =𝟏.

Se 𝑛 1 > 𝑛 2 , o raio refratado aproxima-se da normal e o ângulo de incidência é maior do que o ângulo de refração. Se a luz passar da àgua para o ar, o raio refratado afasta-se da normal. O desvio da luz refratada será tanto maior quanto menor for a velocidade de propagação nesse meio, ou seja, quanto maior for o índice de refração desse meio.

Tabela dos índices de refração no vidro para várias luzes monocromáticas na região da luz visível (ondas com frequências diferentes propagam-se no mesmo material com índices de refração diferentes):

Refringência Meio menos refringente: Meio mais refringente: Menor densidade; Maior velocidade; Maior comprimento de onda; Menor índice de refração. Meio mais refringente: Maior densidade; Menor velocidade; Menor comprimento de onda; Maior índice de refração

Quando observamos a luz a passar da água para o ar, ela reflete-se e refrata-se, afastando-se da normal. Se o ângulo de incidência aumentar, o ângulo de refração também aumentará, passando a chamar-se ângulo limite. Para um ângulo de incidência superior ao ângulo limite deixa de ocorrer refração e passa a haver apenas reflexão, que se chama reflexão total. Este fenómeno só é possível quando a luz provém de um meio mais refringente, ou seja, ele não seria possível se a luz passasse do ar para a água.

O ângulo limite depende dos índices de refração dos meios. Reflexão total da luz: Ocorre quando deixa de existir refração da luz; Ocorre para ângulos de incidência superiores ao ângulo limite, cujo valor é tal que 𝛼 𝑙𝑖𝑚 = 𝑛 2 𝑛 1 quando a luz passa do meio 1 para o meio 2. Só ocorre se a luz provier de um meio com maior índice de refração (mais refringente), por exemplo, da água (ou vidro) para o ar, ou seja, se n1 > n2.

O fenómeno da reflexão total esta na base do funcionamento da fibra ótica (meio muito eficaz para transmitir informação). As fibras óticas permitem a propagação da luz de uma ponta à outra porque esta sofre sucessivas reflexões totais no interior da fibra. O índice de refração da fibra tem de ser suficientemente grande para que não haja refração: tem de haver sempre reflexão total nas paredes da fibra mesmo que esta tenha uma forma curvilínea. O material da fibra também não pode absorver a luz.

A difração de uma onda ocorre quando uma onda pode contornar obstáculos ou orifícios desde que as dimensões destes sejam da ordem de grandeza do seu comprimento de onda. Ex.: As ondas sonoras audíveis têm comprimentos de onda de 2 cm a 20 m, de tal forma que difratam-se com facilidade, contornando esquinas, muros, etc. Por essa razão, duas pessoas podem ouvir-se mesmo separadas por uma parede que isole acusticamente porque as ondas sonoras podem contornar um obstáculo que encontram no percurso.

Uma onda incide sobre um orifício com o tamanho da ordem do comprimento de onda. Do outro lado da barreira surgem ondas, mas esféricas em vez de planas.