25/11/2015

Reflexão e Refração

Quando fazemos incidir um feixe de luz de uma lanterna ou de um laser, num espelho ou numa superfície polida, o feixe é refletido.
Como explicar este fenómeno?
Christian Huygens foi um dos primeiros cientistas a apresentar um modelo para o explicar: considerou que a luz se comportava como uma onda. Por outro lado, Isaac Newton optou por um modelo diferente e considerou que a luz era constituída por partículas, ou corpúsculos.
Os raios luminosos são representados por linhas imaginárias que têm a direção e o sentido da propagação das ondas.

Se um feixe de luz incidir numa superfície espelhada, comparando a direção do feixe incidente com a direção do feixe defletido, podem verificar-se as leis de reflexão:
  1. O raio incidente, a normal à superfície de separação dos dois meios e o raio refletido estão no mesmo plano.
  2. O ângulo de incidência, i, definido pelo raio incidente e pela normal, é igual ao ângulo de reflexão, r, definido pelo raio refletido e pela normal.
Se, por outro lado, um feixe de luz incidir numa superfície irregular, como as paredes, o papel, a madeira ou os metais não polidos, a luz é refletida em todas as direções e diz-se que há reflexão difusa ou difusão.




Refração da luz. Índice de refração. Leis da refração

Se fizermos incidir um feixe luminoso num bloco de vidro polido, verificamos que o feixe de luz penetra no vidro e experimenta um desvio; diz-se que a luz é refratada quando transita do ar para o vidro. Porém, observando com mais atenção, verificamos que também há reflexão; o feixe divide-se em duas partes. Uma pequena parte reflete-se, retornando ao ar, e a outra parte penetra no bloco transparente, refratando-se.
Se o raio incidente não coincidir com a normal à superfície de separação, o raio transmitido muda de direção ao atravessar a superfície: a luz refrata-se.
1ª Lei da refração
O raio incidente, a normal à superfície de separação dos dois meios e o raio refratado, estão no mesmo plano.
Porque razão ocorre refração quando a luz se propaga do ar para o vidro ou do vidro para a água?
O modelo ondulatório permite ilustrar melhor esta propriedade: as ondas luminosas propagam-se menos rapidamente no vidro do que no ar e por isso ocorre uma mudança de direção. Depois de a onda penetrar no vidro, a velocidade diminui, pelo que diminui a distância entre a crista das ondas.
A refração está, portanto, relacionada com a velocidade da luz nos materiais.
Para caracterizar o grau de refração de um material, utiliza-se o índice de refração, n, que pode ser definido como o quociente entre a velocidade da luz no vazio, c, e a velocidade do material, v.       n=c/v

Há alguma relação entre o ângulo de incidência e o ângulo de refração?
Para pequenos ângulos de incidência, há proporcionalidade entre os valores de i e de r, mas para valores maiores que a hipótese não se verifica.
A relação entre os dois âsngulos, de incidência e de refração, foi descoberta em 1621, por Snell, e clarificada, mais tarde (1638) por Descartes. Constitui a 2ª lei da refração ou lei de Snell-Decartes:
Quando um raio luminoso é refratado na passagem do ar para outro meio transparente, verifica-se que a razão entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração mantêm-se constante: sen i/sen r = n       (n>1)
A constante, n, é designada por índice de refração desse meio em relação ao ar.




Esta lei pode ser generalizada para qualquer par de meios. Assim, caso a luz se propague de um meio, cujo índice de refração é n1, para outro meio, com índice de refração n2, verifica-se a relação: (sen i / sen r = n2 / n1) = n2,1
A razão entre os senos dos ângulos de incidência e de refração é constante e igual a n2,1, sendo designada por índice de refração relativo do meio 2 em relação ao meio 1.
  
Como o índice de refração do ar é aproximadamente 1, o índice de refração do vidro em relação ao ar é praticamente igual ao índice de refração absoluto do vidro:  n vidro, ar n vidro
O índice de refração de uma substância é uma propriedade que pode ser utilizada como identificação, da mesma maneira que se utiliza o ponto de fusão ou o ponto de ebulição.

A refração e a dispersão da luz branca

A figura ao lado mostra o que acontece a um feixe de luz branca quando incide numa das faces de um prisma de vidro.
O feixe luminoso que emerge do prisma de vidro é um feixe divergente, com as cores do arco-íris. Diz-se que há dispersão da luz branca, originando-se um espectro.
  • As radiações azuis, de menor comprimento de onda, são mais desviadas do que as radiações vermelhas, que têm um comprimento de onda maior.
  • O índice de refração do vidro é maior para as radiações azuis do que para as radiações vermelhas (atendendo ao ângulo de refração experimentado por cada mini-feixe corado).
Embora a variação do índice de refração no vidro seja da ordem de 0,02 quando se comparam as radiações vermelhas com as violetas, este efeito é aumentado pelo facto de a refração acontecer nas duas interfaces: há um primeiro desvio do feixe à entrada no vidro e, depois, um segundo desvio quando o feixe sai do vidro, retornando ao ar.

A reflexão total
Partindo da situação em que um feixe da luz refratado é quase paralelo à superfície e aumentamos um pouco mais o ângulo de incidência (i), ao chegar ao ângulo crítico (ou ângulo limite) o feixe refratado desaparece e toda a luz passa a ser refletida. A este fenómeno dá-se o nome de reflexão total. Mas para que isso aconteça, é preciso que a luz seja proveniente de um meio mais refringente em relação ao outro (N1 < N2).
Para determinar o ângulo limite, usa-se a Lei de Snell-Descartes para ângulo de refração = 90 graus, portanto:




fenómeno da reflexão total é aplicado, por exemplo, na comunicação, através da fibra óptica que transmite informação a partir de ondas electromagnéticas. A luz atravessa o fio sem que haja perda considerável de energia ou interferência, ocorrendo sucessivas reflexões totais nas paredes da fibra.






Fontes
Desafios da Física, Daniel Marques da Silva, Lisboa Editora, 2008


O Homens Fortes

Qual o fascinio pelos "homens fortes" (leia-se "ditadores"). Terá a história alguma influência na sua ascênsão? - pergun...