Óptica – Reflexão e Refracção, por Diogo Fonseca

O que é a óptica?

A óptica é um ramo da Física que estuda a luz ou, dito de uma forma mais científica, a radiação electromagnética, visível ou não visível. A óptica explica os fenómenos de reflexão, refracção e difracção, a interacção entre a a luz e o meio, entre outras coisas.

Sendo que, neste trabalho apenas vou abordar os fenómenos de reflexão e refracção.

Geralmente, a óptica estuda fenómenos envolvendo a luz vísivel, infravermelha, e ultravioleta. . . mas sendo a luz uma onda electromagnética, fenómenos semelhantes acontecem com os raios X, microondas, ondas de rádio, e outras formas de radiação electromagnética.

Alguns fenómenos ópticos dependem da natureza da luz e, nesse caso, a óptica relaciona-se com a mecânica quântica ( que não vou aprofundar mais, devido a não interessar muito a este trabalho).

A óptica divide-se em 4 diversos ramos, a:

  • Óptica geométrica;
  • Óptica ondulatória;
  • Óptica electromagnética;
  • Óptica quântica ou Óptica física.

 

Neste trabalho, vamos abordar, principalmente, a Óptica geométrica que estuda a luz como um conjunto de raios que cumprem o principio de Fermat.

Este principio e utilizado no estudo da transmissão da luz por meios homogéneos (lentes, espelhos), a reflexão e a refracção.

Reflexão

O fenómeno da reflexão consiste na mudança de direcção de propagação da energia ( desde que o ângulo de incidência não seja 0º). Consiste no retorno da energia incidente em direcção á região de onde ela é proveniente, após entrar em contacto com uma superficíe reflectora.

A energia pode tanto estar manifestada em forma de ondas como transmitida através de partículas. Por isso, a reflexão é um fenómeno que pode se dar por um carácter electromagnético.

A reflexão difere da refracção porque nesta segunda, ocorre alteração nas características do meio por onde passa a onda.

Observando esta imagem, notamos que a linha normal surge onde o feixe incidente atinge o espelho (nesta experiência, é a superfície reflectora). Esta é uma linha perpendicular ao espelho. O ângulo da normal em relação ao feixe proveniente da caixa de raios é designado de “ângulo de incidência”.

Leis da Reflexão

A reflexão pode ser explicada totalmente com base em apenas duas leis, de conhecimento geral.

Antes de as enunciar, é necessário definir primeiro alguns conceitos.

  • A normal é a semi-recta perpendicular a superfície reflectora.
  • Ângulo de incidência é o ângulo formado entre o feixe de luz que incide sobre o objecto e a normal.
  • Ângulo de reflexão é o ângulo que a direcção de um feixe de luz reflectida faz com a normal.

Temos duas leis da reflexão expressas da seguinte maneira:

  • O raio incidente, a recta normal e o raio reflectido são complanares, ou seja estão no mesmo plano.
  • O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.

 

A partir desta imagem podemos verificar que o ângulo de incidência do feixe de luz por parte da caixa de raios é de 55º.

Nesta imagem observamos o ângulo feito pela normal, sendo este de 29º.

Ao observarmos ambas as imagens( esta e a anterior), concluímos que, o ângulo da normal é menor que o ângulo de incidência por parte do feixe reflectido.

Espelhos Esféricos –  Côncavos e Convexos

Espelhos esféricos são espelhos que resultam do corte de uma esfera em que uma das suas superfícies é espelhada, com reflexão regular (especular). Assim, surgem dois tipos de espelhos, os côncavos e os convexos. No primeiro, a superfície reflectora é interna, e no segundo externa.

Esses espelhos obedecem ás mesmas leis de reflexão da luz dos espelhos planos da Óptica geométrica.

Espelho côncavo

O espelho côncavo fornece sempre, devido aos encontro de feixes, uma imagem virtual.

Espelho Convexo

A área abrangente de visualização, nestes espelhos, é maior e o objecto a partir da imagem parece maior.

Refracção

O que é?

Refracção, de um modo simplificado, é a passagem da luz por meios com diferentes índices de refracção. A refracção modifica a velocidade da luz mesmo que a direcção permaneça na mesma (caso a luz incida perpendicularmente á superfície).

Índice de refracção é uma relação entre a velocidade da luz no vácuo (c) e a velocidade da luz em um determinado meio. Em meios com índices de refracção mais baixos ( próximos a 1) a luz tem velocidade maior ( ou seja, próximo do valor da velocidade da luz no vácuo).

 

Leis da refracção

Consideremos dois meios transparentes A e B e um feixe estreito de luz monocromática, que se propaga inicialmente no meio A, dirigindo-se para o meio B.

Suponhamos, ainda, que uma parte da luz consiga penetrar no meio B e que a luz tenha velocidades diferentes nos dois meios. Nesse caso, diremos que houve refracção. O raio que apresenta o feixe incidente é o raio incidente (i), e o raio de apresenta o feixe refractado é o raio refractado (r).

A primeira lei da refracção

O raio incidente, o raio refractado e a normal, no ponto de incidência, encontram-se num mesmo plano.

A normal é uma recta perpendicular á superfície no ponto de incidência, θA é denominado de ângulo de incidência entreo raio e a normal e θB, ângulo de refracção entre o raio e a normal.

A segunda lei da refracção

Os senos dos ângulos de incidência e refracção são directamente propocionais ás velocidades da onda nos respectivos meios.

Ou seja:

A Segunda Lei da Refracção foi descoberta experimentalmente pelo holandês Willebrord van Royen Snell (1591-1626) e mais tarde deduzida por René Descartes, a partir de sua teoria corpuscular da luz.

Nos Estados Unidos, ela é chamada de Lei de Snell e na França, de Lei de Descartes; em Portugal e no Brasil é costume chamá-la de Lei de Snell-Descartes.

Inicialmente a Segunda Lei foi apresentada na forma da equação II; no entanto, ela e mais fácil de ser aplicada na forma da equação I.

Observando a equação I, concluímos que, onde o ângulo for menor, o índice de refracção será maior. Explicando melhor: se \ \theta_B”>, o mesmo ocorre com seus senos, \ sen\,\theta_B”>; logo, para manter a igualdade da equação I, \,n_A”>. Ou seja, o menor ângulo θB ocorre no meio mais refringente, nB.

A refracção e seu ângulo variam de material para material. Vou mostrar alguns exemplos da variação do ângulo refractado:

Nesta imagem, experienciou-se incidir um feixe de luz  num vidro, e com concluímos que o vidro altera a direcção do feixe em 11º. Devido a possuir um índice de refracção 1,52.

O feixe de luz incidindo num material como o perspex, quando ocorrida a refracção do meio o feixe vai possuir um ângulo de refracção de 10º.

Reparamos a partir desta imagem que, o ar, tem pouca influência na direcção do feixe de luz, possuindo um ângulo de refracção de 2º. Isto deve-se ao facto possuir um índice de refracção muito próximo do 1.

O gelo possui um índice de refracção de 1,300, pelo que, mais uma vez, é um índice perto do 1, possuindo um ângulo de refracção de 7º.

Os materiais mostrados anteriormente possuíam um índice de refracção próximo de 1.

O diamante é o material (entre estes materiais) que mais altera significativamente a direcção da luz devido a possuir um índice de refracção de 2,40.

Conclusão

Este trabalho mostra como os fenómenos de reflexão e refracção são comuns, devido a estarem relacionados á propagação da luz.

Quando a luz se propaga num determinado meio e atinge uma superfície, como um bloco de vidro transparente, por exemplo, sabemos que parte dessa luz retorna para o meio no qual se estava propagando, ocorrendo o fenómeno de reflexão da luz.Já a outra parte da luz que atravessa para o outro meio, efectua o fenómeno de refracção.

Estes dois fenómenos ocorrem de forma simultânea, no entanto, pode acontecer que um prevaleça sobre o outro, mas isso depende da natureza dos meios em que a luz incide e das condições da incidência.

A reflexão pode ser definida por reflexão especular ou reflexão difusa ( quando a superfície é irregular, cheia de imperfeições, os raios de luz não são bem reflectidos).

De maneira simples, podemos afirmar que a reflexão é o acto da luz ser reflectida para o meio que se estava propagando.

Podemos não reparar, mas fenómenos como a refracção estão presentes no nosso quotidiano, como por exemplo, o facto de a profundidade de uma piscina parecer menor do que realmente é. Isto acontece devido á diferença entre os meios de propagação.

De maneira simplificada, podemos concluir que a refracção é o fenómeno que consiste na mudança de direcção de propagação dos feixes de luz quando esta passa de um meio para o outro.

Concluímos, que os fenómenos de refracção e reflexão encontram-se presentes em situações do nosso quotidiano, apesar de nem sempre os associarmos.

Bibliografia

  • Eu e a Física 12
  • Wikipedia

http://www.alunosonline.com.br

Diogo Fonseca nº8, 12ºA (2010/2011)

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