Refração da luz: elementos, leis e experimentos

A refração da luz é o fenômeno óptico que ocorre quando a luz atinge obliquamente a superfície de separação de duas mídias com diferentes índices de refração. Quando isso acontece, a luz muda de direção e velocidade.

A refração ocorre, por exemplo, quando a luz passa do ar para a água, pois possui um índice de refração mais baixo. É um fenômeno que pode ser visto perfeitamente na piscina, observando como o corpo se forma debaixo d’água parece se desviar da direção que deveria ter.

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Atoma [CC BY 2.5 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.5)]

É um fenômeno que afeta diferentes tipos de ondas, embora o caso da luz seja o mais representativo e o de maior presença no dia a dia.

A explicação para a refração da luz foi oferecida pelo físico holandês Willebrord Snell van Royen, que estabeleceu uma lei para explicar o que ficou conhecido como Lei de Snell.

Outro cientista que prestou atenção especial à refração da luz foi Isaac Newton . Para estudá-lo, ele criou o famoso prisma de vidro. No prisma, a luz penetra nele por uma de suas faces, refratando e decompondo nas diferentes cores. Assim, através do fenômeno da refração da luz, ele provou que a luz branca é composta por todas as cores do arco-íris.

Elementos de refração

Os principais elementos que devem ser considerados no estudo da refração da luz são os seguintes:-O feixe incidente, que é o feixe que afeta obliquamente a superfície de separação dos dois meios físicos.-O raio refratado, que é o raio que atravessa o meio, modificando sua direção e sua velocidade.-A linha normal, que é a linha imaginária perpendicular à superfície de separação dos dois meios.-O ângulo de incidência (i), que é definido como o ângulo formado pelo feixe incidente com o normal.-O ângulo de refração (r), que é definido como o ângulo que forma o normal com o raio refratado.

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-Além disso, o índice de refração (n) de um meio, que é a razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz no meio, também deve ser considerado.

n = c / v

A esse respeito, deve-se lembrar que a velocidade da luz no vácuo assume o valor de 300.000.000 m / s.

Índice de refração da luz em diferentes meios

Os índices de refração da luz em alguns dos meios mais comuns são:

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Leis de refração

A lei de Snell é freqüentemente chamada de lei da refração, mas a verdade é que pode-se dizer que as leis da refração são duas.

Primeira lei da refração

O raio incidente, o raio refratado e o raio normal estão no mesmo plano do espaço. Nesta lei, também deduzida por Snell, a reflexão também é aplicada.

Segunda lei da refração

A segunda lei da refração ou a lei de Snell é determinada pela seguinte expressão:

n 1 sen i = n 2 sen r

Sendo n 1 o índice de refração do meio de onde a luz vem;o ângulo de incidência;n 2 o índice de refração do meio em que a luz é refratada;r ângulo de refração.

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Josell7 [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Princípio de Fermat

Desde o início do tempo mínimo ou do princípio de Fermat, podem ser deduzidas as leis da reflexão e as leis da refração, que acabamos de ver.

Este princípio afirma que o caminho real seguido por um raio de luz que viaja entre dois pontos no espaço é o que requer menos tempo para viajar.

Consequências da Lei de Snell

Algumas das conseqüências diretas deduzidas da expressão anterior são:

a) Se n 2 > n 1 ; sen r <sen io deixe r <i

Portanto, quando um feixe de luz passa de um meio com um índice de refração mais baixo para outro com um índice de refração mais alto , o raio refratado se aproxima do normal.

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b) Se n 2 <n 1 ; sen r> sen io mar r> i

Portanto, quando um raio de luz passa de um meio com um índice de refração mais alto para outro com um índice mais baixo, o raio refratado se afasta do normal.

c) Se o ângulo de incidência for nulo, o ângulo do raio de refração também é zero.

Ângulo limite e reflexão interna total

Outra das consequências importantes da lei de Snell é o que é conhecido como ângulo de fronteira. Isso é chamado de ângulo de incidência que corresponde a um ângulo de refração de 90º.

Quando isso acontece, o raio refratado se move rente à superfície de separação dos dois meios. Esse ângulo também é chamado de ângulo crítico.

Para ângulos maiores que o limite, ocorre o fenômeno chamado reflexão interna total. Quando isso ocorre, a refração não ocorre, pois todo o feixe de luz é refletido internamente. A reflexão interna total ocorre apenas quando se move de um meio com um índice de refração mais alto para um meio com um índice de refração mais baixo.

Uma aplicação de reflexão interna total é a condução da luz através da fibra óptica sem perda de energia. Graças a isso, podemos desfrutar das altas velocidades de transferência de dados oferecidas pelas redes de fibra óptica.

Experiências

Um experimento muito básico para observar o fenômeno da refração é introduzir um lápis ou uma caneta em um copo cheio de água. Como conseqüência da refração da luz, a parte do lápis ou caneta submersa parece levemente quebrada ou desviada do caminho que se esperaria que ela tivesse.

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Velual [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Você também pode tentar um experimento semelhante com um ponteiro laser. Obviamente, é necessário derramar algumas gotas de leite no copo de água para melhorar a visibilidade da luz do laser. Nesse caso, recomenda-se que o experimento seja realizado em condições de pouca luz para melhor apreciar o caminho do feixe de luz.

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Nos dois casos, é interessante testar com diferentes ângulos de incidência e observar como o ângulo de refração varia à medida que mudam.

Causas

As causas desse efeito óptico devem ser procuradas na refração da luz que faz com que a imagem do lápis (ou do raio laser) seja desviada para debaixo d’água em relação à imagem que vemos no ar.

A refração da luz na vida cotidiana

A refração da luz pode ser observada em muitas situações do nosso dia a dia. Alguns deles já nomeamos, outros, vamos contar abaixo.

Uma conseqüência da refração é que as piscinas parecem ser menos profundas do que realmente são.

Outro efeito da refração é o arco-íris que ocorre porque a luz é refratada ao passar pelas gotas de água presentes na atmosfera. É o mesmo fenômeno que ocorre quando um feixe de luz passa através de um prisma.

Outra conseqüência da refração da luz é que observamos o pôr do sol do sol quando vários minutos se passaram desde que realmente aconteceu.

Referências

  1. Luz (sd). Na WikipediaRecuperado em 14 de março de 2019, de en.wikipedia.org.
  2. Burke, John Robert (1999).Física: a natureza das coisas . Cidade do México: International Thomson Editores.
  3. Reflexão interna total (sd). Na WikipediaRecuperado em 12 de março de 2019, de en.wikipedia.org.
  4. Luz (sd) Na WikipediaRecuperado em 13 de março de 2019, de en.wikipedia.org.
  5. Lekner, John (1987).Teoria da reflexão, das ondas eletromagnéticas e de partículas . Springer
  6. Refração (s). Na WikipediaRecuperado em 14 de março de 2019, de en.wikipedia.org.
  7. Crawford Jr., Frank S. (1968).Ondas (Berkeley Physics Course, Vol. 3 ), McGraw-Hill.

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