REFRAÇÃO DA LUZ FÍSICA M.14 Slides Capítulo 1: Refração da luz Reflexão total Capítulo 3: Refração em dioptros planos e em lâminas de faces paralelas Capítulo 4: Dispersão da luz / prismas

Capítulo 1 Refração da luz ROBERTO VAMOS/TYBA Capítulo 1 Refração da luz

Luz branca É formada por uma infinidade de radiações monocromáticas (policromática). Espectro visível ao olho humano: 1 Refração da luz

Refração da luz Passagem da luz de um meio a outro, envolvendo mudança na velocidade de propagação. SYLVIA CORDAIY PHOTOLIBRARY/ALAMY/OTHER-IMAGES 1 Refração da luz

Velocidade da luz (c) No vácuo: 3 • 108 m/s. Em outro meio: depende da densidade deste. SCIENCE PHOTOS/ALAMY/OTHER-IMAGES Professor: a velocidade da luz no vidro é menor que a velocidade da luz no ar. Em qualquer meio, ela é menor que a velocidade no vácuo. 1 Refração da luz

Índice de refração absoluto (n) É a razão entre a velocidade da luz no vácuo c e a velocidade da luz no meio considerado v: 1 Refração da luz

Índices de refração de alguns meios materiais Meio material Índice de refração (n) Ar 1,00 Água 1,33 Vidro 1,50 Glicerina 1,90 Álcool etílico 1,36 Diamante 2,42 Acrílico 1,49 Professor: diz-se que o meio que tem maior índice de refração tem maior refringência. O índice de refração do ar foi adotado como 1,00 porque a velocidade da luz no vácuo e no ar são muito próximas. 1 Refração da luz

Índices de refração: mesmo meio e luzes diferentes Luz monocromática Índice de refração (n) de um bloco de vidro Violeta 1,532 Azul 1,528 Verde 1,519 Amarela 1,517 Alaranjada 1,514 Vermelha 1,513 1 Refração da luz

Leis da refração 1a lei: o raio incidente (RI), a normal à superfície de separação (N) e o raio refratado (RR) estão no mesmo plano. Meio 1 Plano de incidência Professor: lembre os alunos de que a reta normal é a reta perpendicular à superfície no ponto considerado. Meio 2 1 Refração da luz

Leis da refração 2a lei (Snell-Descartes): a razão entre o seno do ângulo de incidência ( i ) e o seno do ângulo de refração ( r ) depende apenas dos meios nos quais a luz se propaga. ^ ^ Professor: a razão constante n2/n1 é conhecida como índice de refração relativo do meio 2 em relação ao meio 1. 1 Refração da luz

Consequências da lei de Snell-Descartes (Diminuição de velocidade) Meio 1 Meio 2 Direção original Professor: quando a luz passa de um meio menos refringente (mais veloz) para um meio mais refringente (menos veloz), o raio refratado se aproxima da normal. 1 Refração da luz

Consequências da lei de Snell-Descartes (Aumento de velocidade) Meio 1 Meio 2 Direção original Professor: quando a luz passa de um meio mais refringente para um meio menos refringente, o raio refratado se afasta da normal. 1 Refração da luz

Consequências da lei de Snell-Descartes Meio 1 Meio 2 Professor: se o raio de luz incide normal à superfície (ângulo de incidência = zero), o raio refratado não muda a direção de sua trajetória. 1 Refração da luz

Refração em um bloco de vidro SCIENCE PHOTOS/ALAMY/OTHER-IMAGES Professor: esta foto serve como exemplo para duas consequências da lei de Snell-Descartes: quando a luz passa do ar para o vidro, o raio refratado se aproxima da normal; quando o raio sai do vidro e vai para o ar, a luz refratada se afasta da normal. O índice de refração do vidro é maior que o do ar. 1 Refração da luz

Refração atmosférica Atmosfera Posição aparente 1 Refração da luz Professor: a mudança na densidade do ar das camadas atmosféricas produz um desvio acentuado nos raios de luz vindos de um objeto exterior à Terra. Isso acontece, por exemplo, com as estrelas. Quando olhamos para o céu, vemos a luz de uma estrela vinda de uma posição diferente daquela na qual ela realmente está (ou estaria se a víssemos de fora da atmosfera terrestre). Atmosfera 1 Refração da luz

Princípio do menor tempo de Fermat AreiaMar Professor: na figura da esquerda, a linha tracejada mostra o caminho de menor distância que poderia ser percorrido pela luz. A refração da luz, no entanto, mostra que ela segue o caminho no qual gasta o menor tempo. Esse fenômeno foi demonstrado por Fermat. A figura da direita ilustra o exemplo do salva-vidas que tem três caminhos para ir de A (na areia) a M (no mar). Se o salva-vidas se locomove mais rápido na areia que no mar, assim como a luz se propaga mais rápido no ar que no vidro, o caminho mais rápido para o salva-vidas será o traçado em preto (ver exemplo da página 8 do módulo). PHOTO RESEARCHERS/LATINSTOCK 1 Refração da luz

Já sabe responder? Por que as estrelas parecem piscar no céu? GIOVANNI BENINTENDE/ SHUTTERSTOCK IMAGES Professor: as estrelas parecem “piscar” ou “cintilar” no céu devido à existência de correntes móveis de ar quente e ar frio na atmosfera. Essa turbulência atmosférica altera a direção do raio de luz proveniente da estrela; mesmo pequenas variações de temperatura e densidade causadas pelas correntes de ar alteram o índice de refração do ar. Temos, então, a impressão de que a estrela está alternando sua posição porque a trajetória da luz sofre desvios aleatórios. 1 Refração da luz

Capítulo 2 Reflexão total ROBERTO VAMOS/TYBA Capítulo 2 Reflexão total

Reflexão total 2 Reflexão total Professor: entre A e D, parte da luz que é emitida pela lâmpada no fundo do aquário é refletida pela superfície de volta para a água. A partir de D, ou seja, para raios incidindo na superfície da água com ângulos maiores que o ângulo limite, há reflexão total dos raios. 2 Reflexão total

Ângulo limite É o menor ângulo de incidência da luz em uma superfície de separação entre dois meios a partir do qual ela é totalmente refletida. N N 2 Reflexão total

Determinação do ângulo limite 2 Reflexão total

Redução do campo de visão Professor: uma pessoa que está na água e olha para o alto tem seu campo de visão reduzido devido à reflexão total da luz na superfície da água. Sua visão para fora será restrita a um cone de raio correspondente ao ângulo limite (no caso, 48º). A reflexão total, no entanto, permite que ele enxergue bem o garoto à sua direita. 2 Reflexão total

O brilho dos diamantes Luz branca Menos do que 24º, de modo que toda luz é refratada. GEORGE B. DIEBOLD/CORBIS/LATINSTOCK Mais do que 24º, de modo que toda luz é refletida Internamente. Professor: o diamante é um composto de carbono naturalmente cristalizado a alta pressão. Pode ser lapidado, como nas figuras, com o objetivo de refletir e espalhar a luz. Grande parte da luz que incide no diamante, ao tentar voltar para o ar através de ângulos de incidência maiores que 24º, sofre reflexões sucessivas em suas faces, provocando o efeito brilhante. 2 Reflexão total

Miragem na estrada 2 Reflexão total Professor: a luz refletida pelas nuvens sofre refração repetidas vezes nas camadas de ar quente próximas à estrada, até que o ângulo de incidência de parte dessa luz supere o ângulo limite, e ocorra reflexão total. O motorista tem a impressão de ver a pista molhada, mas na verdade ele está vendo a imagem da nuvem refletida pela camada de ar quente. 2 Reflexão total

Miragem na estrada 2 Reflexão total D. LEVESQUE/SCIENCE PHOTO LIBRARY/LATINSTOCK Professor: foto de reflexão total na estrada 2 Reflexão total

Miragem no deserto 2 Reflexão total Professor: o mesmo efeito de miragem nas estradas em dias quentes ocorre no deserto. A luz vinda de árvores, por exemplo, pode sofrer reflexão total nas camadas de ar quente próximas ao chão e dar a ilusão de um lago no meio do deserto. 2 Reflexão total

Miragem no deserto 2 Reflexão total MAXIMILIAN WEINZIERL/ALAMY/LATINSTOCK Professor: foto de reflexão total no deserto 2 Reflexão total

Fibras ópticas Núcleo Casca Bainha Isolamento Capa 2 Reflexão total KEVIN CURTIS/SCIENCE PHOTO LIBRARY/LATINSTOCK Professor: a fibra óptica é usada para transmitir informação na forma de pulsos de luz, que ficam armazenados dentro da fibra devido à reflexão total nas paredes. Em A: múltiplas reflexões totais no interior de uma fibra óptica. Em B: estrutura de uma fibra óptica. Núcleo: filamento de vidro ou plástico por onde passa a luz. Casca: camada que reveste o núcleo com índice de refração inferior ao dele. Capa: proteção de plástico que envolve o núcleo e a casca. Isolamento: fibras que ajudam a proteger o núcleo contra impactos e tensões excessivas. Bainha: capa que recobre o cabo de fibra óptica. Núcleo Casca Bainha Isolamento Capa 2 Reflexão total

Já sabe responder? A luz pode fazer curvas? 2 Reflexão total KEVIN CURTIS/SCIENCE PHOTO LIBRARY/LATINSTOCK Professor: em uma fibra óptica é possível moldar a trajetória da luz no formato curvo, graças às inúmeras reflexões totais que a luz sofre no seu interior. 2 Reflexão total

Refração em dioptros planos e em lâminas de faces paralelas ROBERTO VAMOS/TYBA Capítulo 3 Refração em dioptros planos e em lâminas de faces paralelas

Dioptro plano N PHOTO RESEARCHERS/LATINSTOCK Imagem Objeto Professor: quando estamos em um dos meios que compõem o dioptro plano, nossa visualização dos objetos que estão do outro lado da superfície de separação é afetada pela refração da luz que emerge desses objetos. Por isso um lápis parece “quebrado” quando o vemos dentro de um copo com água. 3 Refração em dioptros planos e em lâminas de faces paralelas

Refração no dioptro plano Observador Professor: o observador está no meio menos refringente (índice de refração menor). A imagem I do objeto O é virtual (na intersecção dos raios refratados) e está mais próxima da superfície de separação. Lembre os alunos de que a convenção para a ordem dos índices de refração é: a luz vem do objeto e vai para o observador. 3 Refração em dioptros planos e em lâminas de faces paralelas

Refração no dioptro plano Professor: o observador está no meio mais refringente (índice de refração maior). A imagem I do objeto O é virtual e está mais afastada da superfície de separação. Observador 3 Refração em dioptros planos e em lâminas de faces paralelas

Refração negativa Professor: a refração negativa só é observada em materiais especialmente construídos para esse efeito (metamateriais). Nesse caso, a luz sofre um desvio que a faz recuar. 3 Refração em dioptros planos e em lâminas de faces paralelas

Refração negativa Professor: quando vemos um peixe em um lago, temos a impressão de que o peixe está acima da posição real. Se a água fosse um metamaterial, teríamos a impressão de que o peixe estaria fora da água. 3 Refração em dioptros planos e em lâminas de faces paralelas

Lâmina de faces paralelas SCIENCE PHOTOS/ALAMY/OTHER-IMAGES Professor: um sólido transparente à luz, que tem duas faces opostas em direções paralelas, pode ser considerado uma lâmina de faces paralelas. O feixe luminoso, ao atravessar uma lâmina de faces paralelas, sofre dupla refração. 3 Refração em dioptros planos e em lâminas de faces paralelas

Lâmina de faces paralelas – dupla refração Vidro Ar 3 Refração em dioptros planos e em lâminas de faces paralelas

Já sabe responder? Por que a profundidade de uma piscina parece diminuir quando ela está cheia de água? DAN SUZIO/PHOTO RESEARCHERS/LATINSTOCK Professor: o piso da piscina reflete a luz externa, que, ao atravessar a superfície de separação do dioptro água-ar, sofre refração, mudando de direção e se afastando da normal. A imagem do piso vista por um observador no ar será formada numa profundidade menor que a de sua posição real. 3 Refração em dioptros planos e em lâminas de faces paralelas

Dispersão da luz / prismas ROBERTO VAMOS/TYBA Capítulo 4 Dispersão da luz / prismas

Dispersão da luz 4 Dispersão da luz / prismas SCIENCE PHOTO LIBRARY/LATINSTOCK EDUARDO SANTALIESTRA/CID Professor: Newton observou que a luz branca, ao atravessar um prisma, poderia ser decomposta em luzes monocromáticas coloridas, na mesma sequência em que elas eram vistas no arco-íris. Por meio de seus experimentos em óptica, ele descobriu também que as luzes poderiam ser “recombinadas” em um feixe de luz branca se passassem novamente por um prisma. A dispersão do feixe colorido ocorre porque cada “cor” se refrata de forma diferente na parede do prisma, e a geometria do prisma ajuda a aumentar ainda mais essa diferença, “abrindo o leque” das cores. 4 Dispersão da luz / prismas

Prisma óptico Aresta Base 4 Dispersão da luz / prismas

Arco-íris As gotas de água da chuva funcionam como prismas, dispersando a luz branca em um arco colorido. A B SHIGEJI ASANO/CORBIS/LATINSTOCK SCIENCE PHOTO LIBRARY/LATINSTOCK Professor: à esquerda, arco-íris; à direita, esquema mostrando a dispersão da luz devido à refração em uma gota de água. C 4 Dispersão da luz / prismas

Prismas de reflexão total Ângulo limite do vidro: cerca de 42° Em ângulos de incidência maiores  reflexão total da luz 4 Dispersão da luz / prismas

Periscópio 4 Dispersão da luz / prismas Professor: os periscópios podem utilizar prismas nos quais ocorre o fenômeno da reflexão total. Dentro de cada prisma, o raio atinge a face maior em ângulo superior ao ângulo limite, sendo, por isso, totalmente refletido. 4 Dispersão da luz / prismas

Binóculo 4 Dispersão da luz / prismas Professor: o conjunto de prismas utilizados no binóculo permite aumento no comprimento da trajetória da luz sem aumento no tamanho do tubo do binóculo, que permanece eficiente, apesar de compacto. 4 Dispersão da luz / prismas

Já sabe responder? É possível produzir um arco-íris mesmo sem chuva? ALEXANDER FEDIACHOV/SHUTTERSTOCK Professor: sim, é possível. Uma das maneiras é utilizar a água que sai de uma mangueira de jardim em um dia de sol (não o do meio-dia). A pessoa deve colocar o dedo na extremidade da mangueira para criar um jato de água que se abra em leque. Ao se posicionar de costas para o Sol, ela perceberá ao redor da água espraiada a luz sofrendo dispersão da mesma forma que em um arco-íris. 4 Dispersão da luz / prismas