Fenômenos Ópticos 2


 

TEMA: Interação entre os Componentes do Ambiente e Transformações

 

 

CONTEÚDO : Luz e Refração

 

 

CONCEITO: Refração, Índice de Refração e Ângulo Limite

 

 

 

Objetivo :

Através de experimentos simples apresentar o fenômeno da refração, evidenciando a relação entre os ângulos de incidência e refratado, ângulo limite e reflexão total.

Introdução - Fenômenos Ópticos - A Interação da Luz com a Matéria

Quando a luz interage com a matéria várias situações podem ocorrer.

Quando os raios de luz atravessam a matéria de maneira ordenada , temos os meios transparentes, como por exemplo, o vidro polido, o ar atmosférico, o papel celofane, etc. Através deles os corpos podem ser vistos com nitidez

Quando a luz se propaga de maneira desordenada através de um meio , temos um meio translúcido. Um objeto observado através de um meio translúcido é visto sem nitidez, como se pode observar com o vidro fosco, o papel vegetal, e certos tipos de plásticos.

Quando a matéria impede a propagação da luz em seu interior , os objetos não podem ser vistos através dela ; temos então um meio opaco.

Como conseqüência da interação da luz com a matéria ocorrem os fenômenos ópticos : reflexão regular, reflexão difusa ou difusão, absorção da luz e a refração .

A reflexão regular da luz ocorre quando um feixe de luz que incide numa superfície é refletido de maneira ordenada para a mesma direção de onde veio . Este é o fenômeno que ocorre em espelhos planos ou curvos . A superfície tranqüila de um lago , na qual se pode ver o reflexo da paisagem ao redor também atua como um espelho.

A reflexão difusa ocorre quando a luz proveniente de uma fonte qualquer incide em um corpo, que a reflete em todas as direções, fazendo com que volte para o meio de origem . As superfícies rugosas de uma folha de papel , dos tecidos, da madeira, etc , constituem exemplos de corpos que difundem a luz.

A absorção da luz ocorre quando a luz incidente sobre um corpo, ao invés de ser refletida ou difundida, é absorvida em sua maior parte . Um exemplo típico de absorção pode ser visto numa pista de asfalto negro, onde a luz incidente é praticamente toda absorvida pelo asfalto, deixando em destaque as faixas de demarcação da pista , geralmente de cor amarela ou branca. O fato de diferentes objetos apresentarem cores diferentes, quando vistos sob iluminação natural ou artificial , pode ser explicada pelos modos diferentes de absorção parcial da luz incidente sobre eles.

A refração da luz pode ocorrer quando a luz penetra em determinados meios , tendo a direção de sua trajetória inicial alterada. Em decorrência deste fenômeno um lápis parcialmente mergulhado num copo contendo água parece quebrado , ou uma piscina parece mais rasa do que é na realidade.

Quando a luz incide num corpo normalmente ocorre mais de um fenômeno óptico simultaneamente, embora geralmente um deles predomine sobre os outros. Assim, quando um feixe de luz incide obliquamente sobre um bloco de vidro transparente ( num ângulo de incidência compreendido entre 90o a aproximadamente 40o em relação à superfície ), a maior parte da luz atravessa o vidro, ocorrendo desvio de sua direção inicial de propagação, devido ao fenômeno da refração. Embora a refração seja o fenômeno predominante, uma parcela menor da luz incidente é absorvida e/ou refletida pela superfície do vidro.

 

Experimento 1 - Refração e Índice de Refração


1. Numa mesa de altura adequada , coloque um bloco transparente de faces paralelas ( pode ser um bloco de vidro ou de acrílico, ou um aquário pequeno cheio d’água) sobre uma folha de papel branco. Oriente o conjunto de modo que sua linha de visão seja perpendicular às faces paralelas do bloco.

 

 2. Com um lápis trace no papel o contorno do bloco.

 

 3. Com uma régua trace uma linha perpendicular à face traseira do bloco.

 

 4 Olhando através do bloco, usando a régua, trace na frente do bloco a continuação da linha traçada anteriormente.

 

 5. Retire o bloco transparente de cima do papel. Prolongue as retas traçadas atrás e na frente do bloco até as retas que marcam as posições onde se encontravam as faces do bloco ( pontos A e B , Fig 2) . Una estes dois pontos com uma linha reta, através do espaço anteriormente ocupado pelo bloco. O que você observa ?

  

6. Recoloque o bloco sobre o outro lado da folha de papel, e repita as etapas de 1 a 5, mas traçando agora uma reta inclinada cerca de 50o em relação à face traseira do bloco. Há alguma alteração das direções da duas retas traçadas, comparadas com o caso anterior ? Explique.

 

 

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7.Trace pelos pontos A e B retas perpendiculares às faces do bloco, como representado na Figura 2 para o ponto A. Com um transferidor meça os ângulos i e r . Explique e discuta os resultados.

 

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Observação : o experimento pode ser realizado com uma lanterna dotada de uma fenda , usando um feixe luminoso estreito no lugar das retas traçadas , num ambiente com pouca iluminação . Para facilitar a visualização do feixe luminoso, coloque o bloco sobre um papel preto escura, ao invés de branco .

   

Reflexão Total e Ângulo Limite

   

Antes de iniciar este tópico, é conveniente definir o termo refringência , usualmente utilizado em óptica. O termo refere-se ao índice de refração de um meio . Todo meio homogêneo, transparente e isótropo ( que tem a mesma propriedade física em todas as direções) é um meio refringente. Dizemos que um meio é mais refringente que outro quando seu índice de refração pé maior. Por exemplo, o diamante (  = 2,42 ) é mais refringente que o vidro (  = 1,5-1,9 ).

 

Reflexão Total é uma situação que ocorre quando a luz passa de um meio mais refringente para um meio menos refringente ; nesta situação o raio de luz se refrata , afastando-se da normal. Porém, se o ângulo de incidência for continuamente aumentado, atinge-se um ponto limite, em que o raio de luz refratado emerge numa direção rasante à superfície de separação entre os dois meios . Para qualquer ângulo de incidência maior que este valor , não mais ocorrerá refração. O valor desse ângulo é denominado ângulo-limite ( L ).

 

Antes de maiores discussões sobre o assunto, vamos realizar alguns experimentos simples relacionados com o mesmo .

 

Experimento 2

1. Tome um espelho retangular de aproximadamente 10 x 5 cm . Coloque um elástico ao redor de uma de suas extremidades. Usando um clipe de papel e outro elástico faça um suporte, de modo que seja possível montar o espelho dentro de um recipiente com água , como mostrado na Figura.

 

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2. Observe o lápis mergulhado na água , para um ângulo  pequeno , de modo que seja possível ver a imagem de todo o lápis e da mão que o segura.

3. Aumente lentamente o ângulo  , observando continuamente a imagem do lápis . Ocorre alguma mudança na imagem do lápis refletida no espelho ? Qual ?

 

4. Quando você não mais observar alteração da imagem refletida no espelho, retire totalmente o lápis de dentro d’água . O que ocorre ? Discuta os fatos observados .

 

Experimento 3


 1. Segure um copo cheio d’água em suas mãos . Observe os seus dedos através das paredes do copo. Você consegue vê-los ?

 

 2. Ainda segurando o copo com água, desloque-o de modo que sua linha de visão fique acima da superfície da água dentro do copo. Nesta situação observe os dedos que seguram o copo . Você consegue vê-los ? Discuta os fatos observados .

 

Experimento 04

 

1. Coloque um recipiente transparente com água sobre uma mesa e espalhe alguns objetos ao seu redor .

2. Coloque-se numa posição abaixo do tampo da mesa , de modo que você possa ver a superfície da água por baixo.

3. Afaste-se ou aproxima-se da mesa , até que seja capaz de ver a imagem dos objetos localizados sobre a mesa refletidos na superfície da água . Discuta o resultado .

Contextualização

Com os conhecimentos que você tem sobre ângulo limite, como você racionaliza o fato de uma peça de diamante ser muito mais brilhante que uma peça semelhante de vidro, sendo por isto muito mais valiosa .

Aplicações práticas de ângulo limite

Uma aplicação prática útil da reflexão total da luz são as fibras ópticas , utilizadas em medicina, telecomunicações , etc. Uma fibra óptica é simplesmente um filamento alongado, de plástico ou vidro transparente. Os raios de luz penetram por uma das extremidades do filamento e caminham sem escapar , numa série de reflexões totais.

Este efeito já havia sido demonstrado em 1870 pelo físico inglês John Tyndall. Tyndall colocou uma lanterna dentro de um recipiente opaco cheio de água , com um orifício em um dos lados, pelo qual a água escorria. A luz acompanhava a trajetória curva da água , como se tivesse sido dobrada, podendo ser visualizada , quando o filete de água era interrompido.

Sugestão de atividades : Você pode montar um dispositivo semelhante, usando um recipiente opaco com um furo lateral e cheio de água, um espelho colocado no interior do recipiente e uma lanterna , segundo o esquema :

 

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A situação que ocorre numa fibra óptica é esquematizada a seguir:

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Bibliografia

1. Gonçalves Filho, A. e Toscano, C. , Física e Realidade., vol2, São Paulo : Scipione, 1997.

 

 

2. Porto, D.P. e Marques, J.L , Ciências- Química e Física. São Paulo :Scipione, 1997.

 

 

3. Blackwood, O.H. , Herron, W.B. Herron e Kelly, W.C. , Física na Escola Secundária., vol.2 , Rio de Janeiro: Editora Fundo de Cultura S.A., 1958 .

 

 

4. Paraná, D.N. , Física , vol. 2 , São Paulo: Editora Ática S.A. , 1993 .

 

 

5. Secretaria da de Estado da Educação - São Paulo. Coordenadoria de Estudos e Normas Pedagógicas Subsídios Para a Implementação do Guia Curricular de Ciências 1o. Grau - 5a. a 8a. Série. . Coord, São Paulo, SE/CENP/CECISP, 1985 .

 

 

 

Apêndice

 

 

 

Meio

 

Ângulo Limite ( L)

 

Acetona

 

 

1,36

 

 

47o

 

Água

 

 

1,33

 

 

490

 

Álcool

 

 

1,36

 

 

47o

 

Ar

 

 

1,00

 

 

--

 

 

Córnea

 

 

1,37 a 1,38

 

 

47o a 46,5o

 

Diamante

 

 

2,42

 

 

24o

 

Gelo

 

 

1,31

 

 

50o

 

Glicerina

 

 

1,47

 

 

43o

 

Quartzo

 

 

1,54

 

 

40o

 

Vácuo

 

 

1,00

 

 

---

 

 

Vidro

 

 

1,50 a 1,90

 

 

42o a 32o

 

 

 

 

 

 

 

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