Até aqui vimos formações de imagens que ocorrem quando há o fenômeno da reflexão. Os espelhos, como os classificamos, são objetos opacos, ou seja, não permitem que a luz os atravesse. Mas o que ocorre quando o meio onde a luz incide a deixa atravessar, ou seja, transmite a luz? Quando acontece a
transmissão da luz por algum meio outros fenômenos importantes acontecem, como veremos a seguir.
REFRAÇÃO DA LUZ
Quando a luz do Sol entra na atmosfera do nosso planeta muitos fenômenos interessantes acontecem com ela e nos rendem imagens ópticas
impressionantes, que vão desde o “simples” azul do céu e suas cores ao longo das manhãs e tardes, até o colorido do arco-íris. Isso é possível apenas porque os gases presentes na atmosfera são transparentes à luz e a deixam passar, mas ocorrem interações com os gases e as moléculas de água presentes em suspensão, ocasionando alguns destes fenômenos.
Um deles chamamos de refração e consiste basicamente na mudança de
velocidade da luz ao passar de um material transparente para outro. A esses materiais chamamos meios de propagação. A luz propaga com velocidades diferentes em diferentes meios.
No vácuo ela se propaga a 300.000 km/s (representada geralmente pela letra c), que é considerada a velocidade-limite da luz, na água é 3/4c, no vidro a 2/3 c,45 no ar é ligeiramente menor que c. Uma grandeza óptica importante para
caracterizar a facilidade ou dificuldade da luz propagar em determinado meio é o índice de refração, representado pela letra n, determinado pela relação entre a velocidade da luz no vácuo c e a velocidade da luz nesse meio: c n v .
Observe que esse número é sempre maior que 1 e é adimensional. Assim, usando a definição acima, temos nágua=1,33; nvidro=1,5 e nar= 1,0.
Além destes três materiais, qualquer outro meio transparente tem um índice de refração diferente. Mas alguns deles são tão próximos que se um deles estiver imerso no outro quase não o vemos.
Demonstração 3: vidro que desaparece
Este é um caso que pode ser tratado como certa “invisibilidade” no campo da Óptica. A percepção óptica de um material transparente imerso em outro
depende muito do caminho que a luz faz ao percorrer caminhos que
atravessam o material imerso. Se não há desvio da luz, não existe a percepção entre um material e outro. Para esta demonstração vamos precisar de:
1. Um recipiente fino de vidro (como uma proveta ou pequeno tubo de ensaio, que pode ser até um tubete como o utilizado na oficina de caleidoscópio)
2. Uma vareta de vidro
3. 100 ml de glicerina bidestilada Tudo pronto? Vamos lá!
Esta demonstração é bem fácil de ser feita, basta colocar a glicerina no
recipiente e inserir a vareta de vidro no líquido. Ao observar a vareta entrando no líquido os alunos podem até conseguir vê-la, mas quando ela estiver
totalmente inserida na glicerina, não conseguimos mais distinguir líquido de vidro (figura a). Uma variação desta demonstração é utilizar bolinhas de gel (vendidas geralmente em floriculturas) dentro de um recipiente transparente
como um aquário ou uma garrafa PET. Depois de hidratar as bolinhas o aspecto é de um gel totalmente repleto de água (figura b). Ao coloca-las dentro da água, como o índice de refração é igual, elas desaparecem aos olhos do observador (figura c).
Dependendo da forma com que a luz incide na interface entre os meios, não acontece nada para que se perceba a diferença das velocidades entre um e outro. Mas quando a luz incide obliquamente na superfície de separação de
dois meios (por exemplo, ar-água, ou ar-vidro) ela sofre um desvio. Apesar de o caminho que a luz percorre ser mais longo, o tempo gasto para percorrê-lo é o mínimo possível, assim como ocorre na reflexão, como requer o Principio de Fermat. Utilizando esse principio podemos obter a lei que indica o percurso do raio de luz ao passar de um meio para outro, como:
Onde n1 e n2 são os índices de refração do 1o e 2o meio e 1 e 2 são os ângulos de incidência e refração, medidos em relação a perpendicular à
superfície, como indicado na fig.6 ao passar do ar para a água. Essa expressão é conhecida como Lei de Snell-Descartes. Como o índice de refração da água é
Experimento 3: Determinação do índice de refração de substâncias Para este experimento vamos precisar de:
1. Um cubo ou paralelepípedo de acrílico transparente (podemos encontrar estes recipientes em lojas de artigos para decoração de festas)
2. Diferentes líquidos transparentes (água, óleo, glicerina, álcool, etc.) 3. Uma ponteira LASER ou um pincel de luz branca
4. Régua, uma folha de papel sulfite, transferidor, lápis ou caneta Tudo pronto? Vamos lá!
A confecção deste experimento também é muito simples, basta colocar um dos líquidos a uma altura de cerca de 1 cm no recipiente de acrílico, colocar sobre uma folha de sulfite e fazer um risco na folha em uma das arestas do recipiente (figura a). Depois pedir para que um dos alunos incida o feixe de luz em
qualquer ponto do recipiente, rasante a ele e marcar um ponto no início do feixe no papel, o ponto de incidência na face do recipiente e o ponto de
incidência na face oposta ao recipiente (figura b).
Retirar o recipiente de cima do papel e traçar uma reta normal ao traçado feito antes na aresta do recipiente, partindo do ponto de incidência na face, também marcado no papel (figura c). Fazer os traçados dos raios incidentes e refratados (figura d).
Basta medir os ângulos de incidência e de refração e utilizar a lei de Snell Descartes para determinar o índice de refração do líquido. Novamente
podemos sugerir aos alunos para que façam mais de uma medida com ângulos de incidência diferentes e tirar a média dos índices de refração para que o valor médio possa chegar próximo do real. Outra sugestão é mudar o líquido para ter valores de índices de refração diferentes.
Uma maneira de interpretar essa equação é que a luz ao passar de um meio
para outro deve manter o produto n. sen sempre constante, isto é, se o índice de refração aumenta então o seno do ângulo deve diminuir, ou seja, o raio
aproxima da normal à superfície e inversamente, se o índice diminui então o ângulo aumenta e a luz se afasta da normal.
Você já percebeu que uma piscina sempre parece mais rasa do que realmente é? Devido ao fenômeno da refração a imagem do fundo da piscina parece estar mais acima do que realmente está. Da mesma forma se o índio quiser fisgar o peixe com a sua flecha deve atirar a lança abaixo da imagem que ele vê, pois o objeto (peixe) se encontra abaixo de sua imagem, como mostrado na figura 30.
Demonstração 4: moeda no copinho
Esta demonstração exemplifica muito bem a formação da imagem que faz a
piscina parecer mais rasa ou o peixe parecer estar mais na superfície do que ele realmente está. Para essa demonstração você vai precisar de:
1. Dois copinhos plásticos de café 2. Duas moedas de R$ 0,10
3. Água
Procedimento
Coloque os dois copinhos alinhados com as moedas dentro, de modo que as duas fiquem na mesma posição no fundo deles (figura a). Peça para que alguns alunos se coloquem de modo que eles não consigam ver as moedas, ou seja, de modo que as paredes dos copinhos as escondam (figura b). Encha um dos
Outro exemplo interessante de refração é quando a luz atravessa um prisma como mostra na figura 31 a. Se incidirmos um feixe estreito da luz do sol, que pode ser considerada de raios paralelos ou colimada, pois o Sol se encontra a 150 milhões de quilômetros da Terra, haverá a separação das cores, pois a
velocidade da luz depende da freqüência, e conseqüentemente o índice de refração é ligeiramente diferente para cada cor, como mostra a tabela 1. A luz vermelha desvia menos que a violeta. Essa separação das cores é denominada de Dispersão da luz.
A dispersão da luz explica também o fenômeno do arco-íris, que você observa logo após a chuva ou você utiliza uma mangueira num dia ensolarado,
aparecendo as faixas coloridas, indo do vermelho ao violeta. Como está indicada na fig. 8b ocorrem essencialmente 3 fenômenos: 2 refrações (na entrada e saída da gota de água), uma reflexão e a dispersão das cores. Há vários aspectos interessantes desse fenômeno que sempre desperta a
curiosidade das pessoas, como o formato, o duplo arco-íris. Demonstração 5: Arco-íris com borrifador
Para que esta demonstração seja executada o dia deve estar ensolarado para que haja a visualização mais nítida da dispersão da luz. Nesta demonstração vamos precisar de:
1. Um borrifador de água (daqueles utilizados em jardinagem) ou uma mangueira
Tudo pronto? Vamos lá!
Teste o borrifador para que a água borrifada esteja disposta em gotículas bem pequenas, formando quase uma névoa. Borrife com seu corpo contra o Sol e acima da sua cabeça para que você consiga ver nitidamente a dispersão. Se em vez do borrifador você tiver disponível uma torneira, tampe a saída de água
para que ela seja um borrifador, com a água ligada bem fraca, para que saia uma névoa. Agora observe.
A refração como foi apresentada ocorre apenas quando o meio é homogêneo, ou seja, não tem nenhum tipo de variação de densidade. Quando o meio não é homogêneo, no entanto, acontecem pequenas refrações que fazem com que a luz literalmente faça uma curva, dando a impressão de que o chão está com
água. Este efeito é a conhecida miragem. No caso da miragem no asfalto o ar sobre ele está mais quente (e menos denso) e vai esfriando à medida que sobe, ficando mais denso. Essa diferença de densidade vai modificando aos poucos o índice de refração, fazendo a luz curvar, enganando o cérebro de um
observador que olha no horizonte da estrada.
Demonstração: miragem na água com álcool
Nesta demonstração podemos trabalhar com a propagação da luz em meios não homogêneos, caso do ar aquecido ou de misturas inomogêneas de
líquidos. Para esta demonstração vamos precisar de: 1. Um aquário transparente com fundo preto
2. Uma ponteira LASER 3. Água
4. Álcool (preferencialmente de posto) 5. Uma régua
Procedimento
Coloque água até a metade do aquário. Derrame o álcool devagar para que não haja uma mistura muito grande na interface. Ao lado do aquário ligue o LASER para que o feixe seja paralelo ao fundo e vá subindo a luz até a interface e
observe a curva que a luz faz ao entrar em contato com a interface entre os dois líquidos
Outra observação decorrente desse fenômeno é a posição aparente do Sol. Sabemos que a atmosfera do nosso planeta tem uma variação de densidade quando a altitude aumenta, ou seja, quanto mais alto subimos no planeta (em uma montanha ou uma serra, por exemplo) sentimos um desconforto no
ouvido, causado pela variação de pressão do ar, menor em grandes altitudes. Essa pressão menor é resultado de menos moléculas de ar nesses locais, o que causa uma variação no índice de refração, fazendo com que ele vá de n=1
(vácuo), até n=1,00029 (ar a 1 atm e a 15 ºC). Essa variação no índice de refração do ar faz os raios de luz do Sol se curvarem e os nossos cérebros “interpretam” que a luz vem de outro lugar mais acima quando olhamos o pôr ou o nascer do Sol, sendo que ele está neste momento abaixo do horizonte.
Reflexão interna total
Na figura 29 imaginamos a luz propagando do ar para a água. Imagine agora se a luz propagasse no sentido inverso, isto é, da água para o ar como indicado na figura 32. Nesse caso, ao emergir para o ar o ângulo aumenta, pois o índice de refração do ar é menor do que o da água, como indicado pelo raio 1;
aumentando o ângulo de incidência aumenta também o de refração(raio
2),havendo uma valor tal que o raio emergente sai rasante à superfície (raio 3), esse ângulo é denominado de ângulo limite , a partir do qual não ocorre mais a refração e toda a luz volta para a água, caracterizando assim a reflexão (interna) da luz (raio 4) . Você pode mostrar facilmente, usando a lei da refração, que
para um determinado material, imersos no ar, o ângulo limite L só depende do índice de refração n do mesmo, isto é, senL= 1/n. Por exemplo , para o vidro é aproximadamente 42 graus, para a água 48 graus, e assim sucessivamente
Existem várias aplicações interessantes usando a reflexão total: desvio da luz
nos prismas, aumento do percurso da luz nos binóculos, através da combinação de dois prismas, mas principalmente nas fibras ópticas como condutoras de luz para iluminar e captar imagens em regiões de difícil acesso, como na medicina e indústria e a sua utilização nas telecomunicações, como uma alternativa aos fios de cobre e cabos.
Imagem da luz desviando em um tarugo
Demonstração 6: reflexão interna total em um aquário Para esta demonstração vamos precisar de:
1. Um aquário de acrílico ou de vidro 2. Uma ponteira LASER
3. Água
Tudo pronto? Vamos lá!
Esta demonstração também é simples. Basta colocar água até a metade (ou um pouco mais) do aquário e incidir o LASER de baixo para cima na interface entre a água e o ar e mudar o ângulo para ver o ângulo limite para a reflexão interna total (figura a)
