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Refração
 

Refração

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    Refração Refração Document Transcript

    • Refracção da LuzSubtema 2.3SUMÁRIO: REFRIGÊNCIA DE UM MEIOAprendizagens Específicas:1. Explicar o Fenómeno da Refracção da Luz2. Indicar em que Condições Ocorre o Fenómeno da Reflexão Total da Luz3. Referir Algumas Aplicações Práticas do Fenómeno da Reflexão Total da LuzConteúdos a Leccionar:A refracção da luz é um fenómeno que ocorre quando a luz passa de um meioóptico para outro, onde a velocidade de propagação é diferente. Este fenómeno éfacilmente observável devido ao deslocamento aparente do objecto:Refração da Luz: Observação do FenómenoEm meios transparentes pode ocorrer a transmissão da luz. Se o meio material queenvolve o meio transparente for o mesmo, os raios emergentes apresentam amesma direcção de propagação dos raios incidentes, ainda que "deslocados“relativamente aos pontos de incidência. Os raios emergentes (transmitidos) sãotambém raios refractados:
    • Refracção da Luz: Propagação da Luz em Meios DistintosÉ a mudança de direcção de propagação da luz que evidencia o fenómeno darefracção e está na origem da percepção distorcida da distância a que os objectos seencontram (ilusões) quando estes meios são transparentes:Refracção da Luz: Observação do FenómenoA refracção de um raio de luz pode ser estudada, tal como a reflexão, a partir daseparação dos meios, do ponto de incidência do raio e da normal ao ponto deincidência:Refracção da Luz: Raio Reflectido e Raio Refractado
    • A velocidade de propagação da luz é diferente conforme os meios ópticos queatravessa. Por exemplo, na água e no vidro a velocidade da luz é menor do que no ar.Isto é, a luz "atrasa-se" ao propagar-se nestes meios.Meio Material Velocidade (km/s)Tabela I: Velocidades de Propagação da Luz em diferentes MeiosÁgua 225 000Perspex 201 000Vidro 197 000Diamante 124 000Quando a luz passa do ar para o vidro, a velocidade da luz diminui e o raio luminoso édesviado, aproximando-se da normal. Este raio designa-se por raio refractado.O ângulo de incidência é maior do que o ângulo de refracção, e por isso se diz queo ar é um meio opticamente menos denso (ou menos refringente) do que o vidro.Transmissão da Luz: Raios Refratos e Raio EmergenteQuando a luz passa do vidro para o ar, a velocidade da luz aumenta. Neste caso, o raioluminoso é desviado, afastando-se da normal. O raio que emerge do vidro para sepropagar no ar chama-se raio emergente (transmitido). O ângulo de refracção émaior do que o ângulo de incidência.Quando a luz passa de um meio menos refringente para um meio mais refringente,o raio refrato desvia-se e aproxima-se da normal. Quando a luz passa de um meiomais refringente para um meio menos refringente, o raio refrato desvia-se eafasta-se da normal:
    • Refração da Luz: Desvio do Raio Refrato Relativamente à NormalO deslocamento aparente deve-se aos sucessivos desvios do raiorefratorelativamente aos pontos de incidência quando o raio luminoso é forçado aatravessar um meio transparente:Refração da Luz: Deslocamento AparenteEm qualquer caso, a transmissão pode ocorrer sem grandes evidências de raiosreflectidos. A energia dos raios reflectidos e refractados depende da energia do raioincidente, da separação de meios e da amplitude do ângulo de incidência:Transmissão da Luz: Fenómenos da Reflexão e da RefraçãoA utilização de um raio laser pode facilitar a observação do percurso ótico do raio ou dofeixe de luz. A maior intensidade luminosa evidencia a presença de maiorenergia do raio luminoso:
    • Transmissão da Luz: Fenómenos daNo entanto, verifica-se que não há mudança de direcção do raio refrato quandooângulo de incidência é de 0º, ou seja, quando o raio incide perpendicularmente àsuperfície de separação dos meios:Transmissão da Luz: Estudo do Desvio do Raio RefratoNestas condições, isto é, quando o raio incide perpendicularmente à superfície deseparação dos meios, embora a velocidade de propagação da luz se altera, estanão édesviada da normal:Transmissão da Luz: Estudo do Desvio do RaioPara um ângulo de incidência de 90º, talcomo não se verifica raio reflectido,também não se verifica raio refrato.
    • Condições de Refracção:• Quando a luz passa do ar para o vidro, a velocidade da luz diminui. O raioluminoso é desviado, aproximando-se da normal, (Raio Refracto).NOTA: O ângulo de incidência é maior do que o ângulo de refracção. Diz-se, então,que o ar é um meio opticamente menos denso (ou menos refringente) do que o vidro.• Quando a luz passa do vidro para o ar, a velocidade da luz aumenta. Oraioluminoso é desviado, afastando-se da normal. O raio que emerge do vidro para sepropagar no ar chama-se Raio Emergente.NOTA: O ângulo de refracção é maior do que o ângulo de incidência.• Se a luz incidir perpendicularmente à superfície de separação de dois meios ópticosdiferentes, esta não muda de direcção.A profundidade das piscinas é enganadora. Parece-nos menos profunda do que é narealidade, devido ao fenómeno da refracção da luz. Assim, parece quequalquerobjecto que se encontre no fundo da piscina está auma profundidade menor do que realmente está. Por outro lado, quem estiver na águada piscina e olhar para umobjecto ou para uma pessoa que esteja fora da água, teráa sensação de que estes se encontram mais afastados do que realmente estão.Refracção da Luz: Profundidade AparenteÉ precisamente o que acontece a um peixe que olha para os exteriores do seu aquário.O peixe terá a ilusão óptica de que o gato está mais afastado do aquáriodoque realmente está:
    • Refracção da Luz: Afastamento AparenteOutra situação que evidencia o desvio do raio refracto é o facto de se poder ver ofundoda piscina de uma posição mais afastada da sua orla quando esta está cheia de água:Refração da Luz: Profundidade AparenteOutro exemplo, é aquele que evidencia a possibilidade de se observar, por refração,um objeto no fundo de um copo quando este está cheio de água. Quando vazio,asparedes opacas do recipiente impedem a observação do objeto:Refração da Luz: Posição AparenteToma Nota:• Se o raio incidente for coincidente com a normal, isto é, perpendicular à superfíciede separação de meios, o raio refrato também coincide com a normal, isto é, o raioincidente não sofre qualquer desvio, independentemente darefringência do meio.Reflexão Total da Luz:
    • O ângulo de incidência apartir do qual já não ocorrerefração e se dá a reflexãototal do feixe de luz chama-se ângulo crítico ou ângulo-limite. A amplitude doângulo critico depende dopar de meios ópticos que o feixe de luz atravessa.Refração: O Ângulo de Refração Aumenta com o Ângulo de IncidênciaPara valores do ângulo de incidência superiores ao ângulo crítico, apenas ocorreofenómeno da reflexão da luz. Toda a energia do raio incidente se transfere paraoraiorefletido.Reflexão Interna Total: Ângulo CríticoO valor da amplitude do ângulo Crítico para vários pares de materiais transparentes éuma informação tabelada. Por exemplo, se o par de meios ópticos for "água-ar",a amplitude do ângulo limite é de 49°. No caso do par de meios óticos "vidro-ar",a amplitude do ângulo limite é de 41°.Feixe de Luz Incidente: Ainda com Ocorrência de Reflexão
    • A amplitude dos ângulos limites para vários pares de materiais transparentespodeser determinada com a ajuda de um Disco de Hartl:Feixe de Luz Incidente: Reflexão Interna TotalAssim, qualquer valor do ângulo crítico pode ser verificado experimentalmente talcomo sucede no exemplo que se ilustra a seguir com um feixe laser e uma placa deperplex sobre a qual se fez incidir um feixe luminoso de laser.Feixe de Luz Incidente: Ainda com Ocorência de ReflexãoNestas imagens, anterior e seguinte, ilustra-se a determinação experimental doângulolimite para o par de materiais "ar-perplex" que é de aproximadamente 40º:Feixe de Luz Incidente: Reflexão Interna Total
    • Pode representar-se esquematicamente a amplitude do ângulo de incidência a partirdo qual se verifica reflexão interna total:Feixe de Luz: Reflexão Interna TotalNa imagem que se segue, evidencia-se experimentalmente que a intensidade do feixede luz refletido é igual ao do feixe incidente quando ocorre reflexão interna total:Feixe de Luz: Energia do Feixe RefletidoNa experiência seguinte, é utilizada uma placa de perplexsemi circular. O feixe deluz incide perpendicularmente na superfície curva da placa, e ocorre reflexão internatotal quando o ângulo incidente atinge a amplitude do ângulo crítico:Feixe de Luz: Incidência e Reflexão Interna TotalA reflexão interna total tem aplicações práticas como é o caso do periscópio deprisma que substitui os tradicionais espelhos por prismas que apresentam umângulolimite de 45º:
    • Reflexão Interna Total: Aplicações nos instrumentos ÓpticosNa experiência da imagem seguinte, ilustra-se o fenómeno da reflexão internatotal para um par de meios tal, que a amplitude do ângulo limite é de 45º:Reflexão Interna Total: Observação ExperimentalNa imagem seguinte, evidenciam-se outras situações experimentais nas quais seobserva a reflexão interna total:Reflexão Interna Total: Observação Experimental
    • Para evidenciar a refração da luz na água pode utilizar-se um tanque de refração.Otanque consiste numa armação de vidro ou de um material transparente com formatorectangular no qual se pode colocar água e uma fonte luminosa no seu fundopara estudar a propagaçao de raios entre a separação das superfícies "água-ar":Refração da Luz: Tanque de ÁguaSe considerarmos um raio luminoso, emitido por uma lâmpada inserida numa tina comágua, o qual incide na superfície de separação do par de meios óticos "água-ar",verifica-se que se a amplitude do ângulo de incidência for inferior a 49° ocorre,simultaneamente, a refração da luz e a reflexão da luz. Esta é a situação mais comumno quotidiano.Reflexão Interna Total: Tanque de Água
    • No entanto, se a amplitude do ângulo de incidência for igual a 49°, ainda se verificarefração, sendo a amplitude do ângulo de refracção é de 90°. Acima dessevalor,ocorre reflexão interna total:Reflexão Interna Total: Tanque de ÁguaNa animação que se segue, é possível observar a progação de três raios luminosos,um dos quais experimenta reflexão interna total:Toma Nota:• Se o par de meios ópticos for "água-ar", a amplitude do ângulo-limite (ângulocrítico) é de 49°.• Se o par de meios ópticos for "vidro-ar", a amplitude do ângulo-limite (ângulocrítico) é de 41°.A mesma experiência pode ser conduzida a partir de um feixe laser projetado naágua desde o exterior do tanque de refração:Reflexão Interna Total: Tanque de RefraçãoExistem aparatos óticos de laboratório devidamente prepados para evidenciar, desdeo interior de um tanque de refração, o fenómeno da reflexão interna total. Consistem
    • num arco circular com ranhuras paralelas através das quais se formamfeixes de luzdivergentes que se propagam da água para o exterior (ar):Reflexão Interna Total: Tanque de RefraçãoNo entanto, esta experiência pode ser facilmente observada com recurso a materiaiscomuns do dia a dia:Reflexão Interna Total: Laser Projetado numa Garrafa com ÁguaNa animação que se segue é possível estudar a relação entre a amplitude do ângulodo raio incidente e a amplitude do ângulo de refração bem como asrespectivas condições de reflexão interna total:
    • Fibras Ópticas:O fenómeno da reflexão total da luz aplica-se nas fibras ópticas, que podem servircomo meio de comunicação a longas distâncias. As fibras ópticas são constituídaspor longos tubos feitos de um material flexível (vidro especial ou plástico).Fibra Ótica: Aplicações da Reflexão Interna TotalA luz propaga-se através do interior das fibras ópticas sofrendo sucessivas reflexõestotais, (sem perdas significativas de energia):Fibra Ótica: Reflexão Interna Total sem Perdas de EnergiaNa imagem seguinte evidencia o fenómeno da reflexão interna total que se verificano interior das fibras óticas:Fibra Ótica: Reflexão Interna Total sem Perdas de EnergiaExistem vários tipos de fibra ótica. Em qualquer caso, o príncipio que é aproveitado é oda reflexão interna total:
    • Fibra Ótica: Aplicações da Reflexão Interna TotalA fibra ótica tem muitas aplicações, no domínio das telecomunicação e namedicina.Um exemplo é o exame endoscópico, no qual os médicos podem observar o interior docorpo humano utilizando um endoscópio que é constituído por umtubo fino eflexível que pode ser inserido pelo médico no corpo do doente através de um pequenoorifício. A imagem do interior do corpo é visualizada num ecrã de televisão: