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REFRAÇÃO DA LUZ

REFRAÇÃO DA LUZ

Diz-se que a luz sofre refração quando passa de um meio para outro, modificando sua velocidade. Normalmente, a variação da velocidade é acompanhada de um desvio angular na trajetória do raio incidente para o raio refratado.

Somente se a trajetória do raio incidente for normal (perpendicular) à superfície separadora dos meios, não haverá desvio.

O fenômeno da refração caracteriza-se pela passagem da luz de um meio de propagação para outro meio de propagação, modificando sua velocidade e, na maioria das vezes, sua direção de propagação.

Mudança de velocidade e de direção de propagação na incidência oblíqua, enquanto que na incidência normal só há mudança de velocidade.

ÍNDICE DE REFRAÇÃO

Índice de refração é uma grandeza criada para compararmos o comportamento da velocidade, não só da luz, mas de todas as formas de onda, quando estas passam de um meio para outro.

O índice de refração absoluto é representado pela letra n e é dado pela razão entre a velocidade da luz no vácuo (igual a 3 . 108 m/s) e a velocidade da luz no meio V em questão.

O índice de refração absoluto de um meio nos diz como será modificada a velocidade da onda ao passar do vácuo para este meio.

Para que se possa comparar um meio com outro, existe o índice de refração relativo. O índice de refração relativo entre dois meios A e B é dado pela razão entre seus índices de refração absolutos.

Como:  

Teremos:

Observação

O índice de refração absoluto de um meio nos diz como a luz será freada ao passar do vácuo para aquele meio. Se o índice de refração de um meio é 2, a luz ao passar do vácuo para este meio terá sua velocidade 300.000 km/s dividida por 2.

O índice de refração relativo entre dois meios nos diz se a velocidade da luz ao passar de um meio para outro irá aumentar (se n < 1) ou diminuir (se n > 1).

Quando o índice de refração de um meio é maior que o de outro, diz-se que o meio é mais refringente (a luz se propaga com menor velocidade) que o outro.

LEIS DA REFRAÇÃO

São duas as leis da refração:

O raio incidente, a normal no ponto de incidência e o raio refratado estão no mesmo plano.

Lei de Snell- Descartes: o produto do índice de refração de um meio pelo seno do ângulo formado pelo raio com a normal é constante.

Na figura abaixo:


Observação

A combinação da Lei de Snell-Descartes com a definição de índice de refração absoluto com índice de refração relativo nos permite escrever:

ANÁLISE DO DESVIO DO RAIO REFRATADO

Como já foi dito, na incidência oblíqua o raio ao mudar de meio de propagação sofre um certo desvio, além de sua velocidade sofrer uma variação. É importante ressaltar que não há variação da frequência da onda, ela se mantém constante. Como a velocidade varia, o comprimento de onda também irá variar. Existem dois casos possíveis: passagem de um meio menos refringente para outro mais refringente ou, o contrário, a passagem de um meio mais refringente para outro menos refringente.

1) Incidência de um meio menos refringente para outro mais refringente (n2> n1):

Quando um raio luminoso passa de um meio menos refringente para outro mais refringente:

Ele se aproxima da normal.

O ângulo de refração é menor que o ângulo de incidência.

A velocidade de propagação diminui após a refração.

2) Incidência de um meio mais refringente para outro menos refringente (n2 < n1):

Quando um raio luminoso passa de um meio mais refringente para outro menos refringente:

Ele se afasta da normal.

O ângulo de refração é maior que o ângulo de incidência.

A velocidade de propagação aumenta após a refração

Na incidência NORMAL, já vimos que não há mudança de direção do raio refratado, mas ocorrerá variação de velocidade de propagação: se a luz passa de um meio mais para outro menos refringente sua velocidade aumenta, caso contrário, sua velocidade diminui.

REFRAÇÃO ATMOSFÉRICA

Quando a luz que vem dos astros celestes penetram na camada atmosférica ela vai passando para camadas cada vez mais densas e consequentemente cada vez mais refringente, sofrendo inúmeros desvios que os aproximam da normal, desse fato resulta vermos os astros numa posição na qual eles realmente não se encontram, por isso se fala em posição aparente dos astros.

DISPERSÃO DA LUZ

A dispersão luminosa ocorre quando um feixe de luz policromática incide em uma superfície separadora de dois meios. Na figura, temos um feixe de luz branca que incide em uma superfície, após mudar de meio. A luz se decompõe nas sete cores monocromáticas que a formam.

Isso ocorre devido às diferenças entre os índices de refração das diferentes cores em um mesmo meio. Podemos afirmar que quanto maior o seu índice de refração, maior será o desvio. Na dispersão da luz, a luz monocromática de maior frequência sempre sofre o maior desvio.

ARCO-ÍRIS

O arco-íris é um fenômeno observado quando ocorre a presença de gotas de água em suspensão diante da luz branca (luz do sol). Pode ser facilmente explicado pela dispersão da luz. A luz branca incide nas gotas de água e os feixes monocromáticos sofrem desvios diferenciados, como mostra a figura, e assim temos a formação do arco-íris.

LÂMINAS DE FACES PARALELAS

Consiste em uma lâmina transparente e limitada por duas faces paralelas. Na maioria das questões que envolvem lâminas, ela aparece envolvida por um único meio e as observações que serão feitas também levam isto em consideração. Normalmente, a lâmina é constituída de vidro.

Na figura acima, como só há um meio envolvente, o ângulo x é igual ao ângulo θ1.

x = θ1

Existe também uma expressão matemática utilizada para calcular o desvio lateral sofrido pelo raio.

PRISMA ÓPTICO

Na figura abaixo, temos um prisma óptico visto obliquamente e frontalmente.

Podemos identificar alguns elementos:

• A: ângulo de abertura;

• n1 e n3: índices de refração dos meios exteriores, que normalmente são iguais;

• η2: índice de refração do prisma

Na figura anterior, um raio penetra no prisma, sofre um desvio e incide na outra face. Sofre novo desvio saindo do prisma óptico. A letra δ representa o desvio angular total sofrido pelo raio e é dado pela fórmula:

δ = i1 + i2 – A

OBSERVAÇÃO

COMO REFRAÇÃO DA LUZ PODE CAIR NO ENEM?

A refração da luz é um fenômeno presente em nosso dia a dia que nos causa, muitas vezes, algumas ilusões de ótica. Esse fato acontece devido ao desvio que a luz sofre, em algumas situações, ao mudar de meio de propagação. A questão a seguir explora uma situação de refração incomum na natureza.

EXERCÍCIO RESOLVIDO

01. (ENEM) Um grupo de cientistas liderado por pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), nos Estados Unidos, construiu o primeiro metamaterial que apresenta valor negativo do índice de refração relativo para a luz visível. Denomina-se metamaterial um material óptico artificial, tridimensional, formado por pequenas estruturas menores do que o comprimento de onda da luz, o que lhe dá propriedades e comportamentos que não são encontrados em materiais naturais. Esse material tem sido chamado de “canhoto”.

Disponível em: http://inovacaotecnologica.com.br. Acesso em: 28 abr. 2010 [adaptado].)

Considerando o comportamento atípico desse meta-material, qual é a figura que representa a refração da luz ao passar do ar para esse meio?

Resolução: D

Nos materiais naturais, quando ocorre incidência oblíqua da luz, os raios incidente e refratado estão em meios diferentes e em quadrantes opostos, definidos pela superfície e pela normal a essa superfície. No metamaterial, esses raios estão em meios diferentes, mas em quadrantes adjacentes.

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