Refracção da Luz

Subtema 2.3

SUMÁRIO: REFRIGÊNCIA DE UM MEIO

Aprendizagens 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 Luz

Conteúdos a Leccionar:

A refracção da luz é um fenómeno que ocorre quando a luz passa de um meio

óptico para outro, onde a velocidade de propagação é diferente. Este fenómeno é

facilmente observável devido ao deslocamento aparente do objecto:

Refração da Luz: Observação do Fenómeno

Em meios transparentes pode ocorrer a transmissão da luz. Se o meio material que

envolve o meio transparente for o mesmo, os raios emergentes apresentam a

mesma direcção de propagação dos raios incidentes, ainda que "deslocados

“relativamente aos pontos de incidência. Os raios emergentes (transmitidos) são

também raios refractados:

Refracção da Luz: Propagação da Luz em Meios Distintos

É a mudança de direcção de propagação da luz que evidencia o fenómeno da

refracção e está na origem da percepção distorcida da distância a que os objectos se

encontram (ilusões) quando estes meios são transparentes:

Refracção da Luz: Observação do Fenómeno

A refracção de um raio de luz pode ser estudada, tal como a reflexão, a partir da

separação dos meios, do ponto de incidência do raio e da normal ao ponto de

incidência:

Refracção da Luz: Raio Reflectido e Raio Refractado

A velocidade de propagação da luz é diferente conforme os meios ópticos que

atravessa. 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 Meios

Água 225 000Perspex 201 000

Vidro 197 000Diamante 124 000

Quando a luz passa do ar para o vidro, a velocidade da luz diminui e o raio luminoso é

desviado, 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 que

o ar é um meio opticamente menos denso (ou menos refringente) do que o vidro.

Transmissão da Luz: Raios Refratos e Raio Emergente

Quando a luz passa do vidro para o ar, a velocidade da luz aumenta. Neste caso, o raio

luminoso é desviado, afastando-se da normal. O raio que emerge do vidro para se

propagar no ar chama-se raio emergente (transmitido). O ângulo de refracção é

maior 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 meio

mais refringente para um meio menos refringente, o raio refrato desvia-se e afasta-

se da normal:

Refração da Luz: Desvio do Raio Refrato Relativamente à Normal

O deslocamento aparente  deve-se aos sucessivos desvios do raio refrato

relativamente aos pontos de incidência quando o raio luminoso é forçado a atravessar

um meio transparente:

Refração da Luz: Deslocamento Aparente

Em qualquer caso, a transmissão pode ocorrer sem grandes evidências de raios

reflectidos. A energia dos raios reflectidos e refractados depende da energia do raio

incidente, da separação de meios e da amplitude do ângulo de incidência:

Transmissão da Luz: Fenómenos da Reflexão e da Refração

A utilização de um raio laser pode facilitar a observação do percurso ótico do raio ou do

feixe de luz. A maior intensidade luminosa evidencia a presença de maior

energia do raio luminoso:

Transmissão da Luz: Fenómenos da

No entanto, verifica-se que não há mudança de direcção do raio refrato quando o

ângulo de incidência é de 0º, ou seja, quando o raio incide perpendicularmente à

superfície de separação dos meios:

Transmissão da Luz: Estudo do Desvio do Raio Refrato

Nestas condições, isto é, quando o raio incide perpendicularmente à superfície de

separação dos meios, embora a velocidade de propagação da luz se altera, esta não

é desviada da normal:

Transmissão da Luz: Estudo do Desvio do Raio

Para um ângulo de incidência de 90º, tal

como 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 raio

luminoso 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. O raio

luminoso é desviado, afastando-se da normal. O raio que emerge do vidro para se

propagar 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 ópticos

diferentes, esta não muda de direcção.

A profundidade das piscinas é enganadora. Parece-nos menos profunda do que é na

realidade, devido ao fenómeno da refracção da luz. Assim, parece que qualquer

objecto que se encontre no fundo da piscina está a uma profundidade menor do que

realmente está. Por outro lado, quem estiver na água da piscina e olhar para um

objecto ou para uma pessoa que esteja fora da água, terá a sensação de que estes se

encontram mais afastados do que realmente estão.

Refracção da Luz: Profundidade Aparente

É 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 aquário do

que realmente está:

Refracção da Luz: Afastamento Aparente

Outra situação que evidencia o desvio do raio refracto é o facto de se poder ver o

fundo da piscina de uma posição mais afastada da sua orla quando esta está cheia de

água:

Refração da Luz: Profundidade Aparente

Outro 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, as

paredes opacas do recipiente impedem a observação do objeto:

Refração da Luz: Posição Aparente

Toma Nota:

• Se o raio incidente for coincidente com a normal, isto é, perpendicular à superfície

de separação de meios, o raio refrato também coincide com a normal, isto é, o raio

incidente não sofre qualquer desvio, independentemente da refringência do meio.

Reflexão Total da Luz:

O ângulo de incidência a

partir do qual já não ocorre

refração e se dá a reflexão

total do feixe de luz chama-

se ângulo crítico ou ângulo-

limite. A amplitude do

ângulo critico depende do

par de meios ópticos que o feixe de luz atravessa.

Refração: O Ângulo de Refração Aumenta com o Ângulo de Incidência

Para valores do ângulo de incidência superiores ao ângulo crítico, apenas ocorre

ofenómeno da reflexão da luz. Toda a energia do raio incidente se transfere para

oraio refletido.

Reflexão Interna Total: Ângulo Crítico

O valor da amplitude do ângulo Crítico para vários pares de materiais transparentes é

uma 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 transparentes pode

ser determinada com a ajuda de um Disco de Hartl:

Feixe de Luz Incidente: Reflexão Interna Total

Assim, qualquer valor do ângulo crítico pode ser verificado experimentalmente tal

como sucede no exemplo que se ilustra a seguir com um feixe laser e uma placa de

perplex sobre a qual se fez incidir um feixe luminoso de laser.

Feixe de Luz Incidente: Ainda com Ocorência de Reflexão

Nestas imagens, anterior e seguinte, ilustra-se a determinação experimental doângulo

limite 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 partir

do qual se verifica reflexão interna total:

Feixe de Luz: Reflexão Interna Total

Na imagem que se segue, evidencia-se experimentalmente que a intensidade do feixe

de luz refletido é igual ao do feixe incidente quando ocorre reflexão interna total:

Feixe de Luz: Energia do Feixe Refletido

Na experiência seguinte, é utilizada uma placa de perplex semi circular. O feixe de

luz incide perpendicularmente na superfície curva da placa, e ocorre reflexão interna

total quando o ângulo incidente atinge a amplitude do ângulo crítico:

Feixe de Luz: Incidência e Reflexão Interna Total

A reflexão interna total tem aplicações práticas como é o caso do periscópio de

prisma que substitui os tradicionais espelhos por prismas que apresentam umângulo

limite de 45º:

Reflexão Interna Total: Aplicações nos instrumentos Ópticos

Na experiência da imagem seguinte, ilustra-se o fenómeno da reflexão interna

total para um par de meios tal, que a amplitude do ângulo limite é de 45º:

Reflexão Interna Total: Observação Experimental

Na imagem seguinte, evidenciam-se outras situações experimentais nas quais se

observa a reflexão interna total:

Reflexão Interna Total: Observação Experimental

Para evidenciar a refração da luz na água pode utilizar-se um tanque de refração. O

tanque consiste numa armação de vidro ou de um material transparente com formato

rectangular no qual se pode colocar água e uma fonte luminosa no seu fundo

para estudar a propagaçao de raios entre a separação das superfícies "água-ar":

Refração da Luz: Tanque de Água

Se considerarmos um raio luminoso, emitido por uma lâmpada inserida numa tina com

água, 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 comum

no quotidiano.

Reflexão Interna Total: Tanque de Água

No entanto, se a amplitude do ângulo de incidência for igual a 49°, ainda se verifica

refração, sendo a amplitude do ângulo de refracção é de 90°. Acima desse valor,

ocorre reflexão interna total:

Reflexão Interna Total: Tanque de Água

Na 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 (ângulo

crítico) é de 49°.

• Se o par de meios ópticos for "vidro-ar", a amplitude do ângulo-limite (ângulo

crítico) é de 41°.

A mesma experiência pode ser conduzida a partir de um feixe laser projetado na

água desde o exterior do tanque de refração:

Reflexão Interna Total: Tanque de Refração

Existem aparatos óticos de laboratório devidamente prepados para evidenciar, desde

o interior de um tanque de refração, o fenómeno da reflexão interna total. Consistem

num arco circular com ranhuras paralelas através das quais se formam feixes de luz

divergentes que se propagam da água para o exterior (ar):

Reflexão Interna Total: Tanque de Refração

No entanto, esta experiência pode ser facilmente observada com recurso a materiais

comuns do dia a dia:

Reflexão Interna Total: Laser Projetado numa Garrafa com Água

Na animação que se segue é possível estudar a relação entre a amplitude do ângulo

do raio incidente e a amplitude do ângulo de refração bem como as

respectivas condições de reflexão interna total:

Fibras Ópticas:

O fenómeno da reflexão total da luz aplica-se nas fibras ópticas, que podem servir

como meio de comunicação a longas distâncias. As fibras ópticas são constituídas

por longos tubos feitos de um material flexível (vidro especial ou plástico).

Fibra Ótica: Aplicações da Reflexão Interna Total

A luz propaga-se através do interior das fibras ópticas sofrendo sucessivas reflexões

totais, (sem perdas significativas de energia):

Fibra Ótica: Reflexão Interna Total sem Perdas de Energia

Na imagem seguinte evidencia o fenómeno da reflexão interna total que se verifica

no interior das fibras óticas:

Fibra Ótica: Reflexão Interna Total sem Perdas de Energia

Existem vários tipos de fibra ótica. Em qualquer caso, o príncipio que é aproveitado é o

da reflexão interna total:

Fibra Ótica: Aplicações da Reflexão Interna Total

A 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 do

corpo humano utilizando um endoscópio que é constituído por umtubo fino e

flexível que pode ser inserido pelo médico no corpo do doente através de um pequeno

orifício. A imagem do interior do corpo é visualizada num ecrã de televisão: