Refração: diferenças entre revisões
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A refração é a mudança na direção da propagação da onda devido a uma mudança em seu meio de transmissão. O fenômeno é explicado pela conservação da energia e pela conservação do impulso. Devido à mudança de meio, a velocidade da fase da onda é alterada, mas sua frequência permanece constante. Isto é mais comum observado quando uma onda passa de um meio para outro em qualquer ângulo diferente de 0 ° do normal. A refração da luz é o fenômeno mais comumente observado, mas qualquer tipo de onda pode se refazer quando interage com um meio, por exemplo, quando as ondas sonoras passam de um meio para outro ou quando as ondas de água se movem para a água de uma profundidade diferente. A refração é descrita pela lei de Snell, que afirma que, para um dado par de meios e uma onda com uma única frequência, a proporção dos senos do ângulo de incidência θ1 e do ângulo de refracção θ2 é equivalente à razão das velocidades da fase ( V1 / v2) nos dois meios, ou equivalentemente, à relação oposta dos índices de refração (n2 / n1)<ref>{{Citar periódico|data=2017-06-23|titulo=Refraction|jornal=Wikipedia|url=https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Refraction&oldid=787028606|idioma=en}}</ref>[[Ficheiro:refraction of a pencil.svg|thumb|right|250px|Exemplo da refracção da imagem de um [[lápis]] ao ser submerso num [[copo]] cheio de [[água]].]]Na óptica, a refração é um fenômeno que ocorre frequentemente quando as ondas viajam de um meio com um determinado índice de refração para um meio com outro em um ângulo oblíquo. No limite entre o meio, a velocidade da fase da onda é alterada, geralmente causando uma mudança de direção. O seu comprimento de onda aumenta ou diminui, mas a sua frequência permanece constante.Por exemplo, um raio de luz irá refratar à medida que entra e deixa o vidro, assumindo que há uma alteração no índice de refração. Um raio viajando ao longo do normal (perpendicular ao limite) mudará a velocidade, mas não a direção. A refração ainda ocorre neste caso. A compreensão deste conceito levou à invenção das lentes e do telescópio de refração. |
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[[Ficheiro:refraction of a pencil.svg|thumb|right|250px|Exemplo da refracção da imagem de um [[lápis]] ao ser submerso num [[copo]] cheio de [[água]].]] |
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[[Ficheiro:Wasser Hand.jpg|thumb]] |
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{{PU-AO45|Refração|refracção}} é a mudança na [[velocidade]] de uma [[onda]] ao atravessar a fronteira entre dois meios com diferentes índices de refração. A refração modifica a velocidade de propagação e o [[comprimento de onda]], mantendo uma [[proporção direta]]. A [[constante de proporcionalidade]] é a [[frequência]], que não se altera.<ref>http://www.algosobre.com.br/fisica/refracao-da-luz.html</ref> |
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A refração pode ser vista ao olhar para uma tigela de água. O ar tem um índice de refracção de cerca de 1.0003, e a água tem um índice de refração de cerca de 1.3330. Se uma pessoa olha para um objeto reto, como um lápis , que é colocado em uma inclinação, parcialmente na água, o objeto parece dobrar na superfície da água. Isto é devido à flexão de raios de luz à medida que se movem da água para o ar.. A profundidade que a água parece ser quando vista de cima é conhecida como a profundidade aparente. Esta é uma consideração importante para a pesca da pesca a partir da superfície, porque isso fará com que os peixes-alvo pareçam estar em um lugar diferente, e o pescador deve procurar reduzir o peixe. Por outro lado, um objeto acima da água tem uma maior altura aparente quando visto de baixo da água. A correção oposta deve ser feita por um peixe arqueiro. [2] Para pequenos ângulos de incidência (medidos a partir do normal, quando seno θ é aproximadamente igual ao tangente θ), a relação entre profundidade aparente e real é a proporção dos índices refrativos do ar para o da água. Mas, à medida que o ângulo de incidência se aproxima de 90o, a profundidade aparente aproxima-se de zero, o que limita a observação em altos ângulos de incidência. Por outro lado, a altura aparente se aproxima do infinito à medida que o ângulo de incidência (de baixo) aumenta, mas mesmo antes, à medida que o ângulo da reflexão interna total é abordado, embora a imagem também se desvaneça a partir da vista ao abordar esse limite.<ref>{{Citar periódico|data=2017-06-23|titulo=Refraction|jornal=Wikipedia|url=https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Refraction&oldid=787028606|idioma=en}}</ref> |
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'''Lei de Snell-Descartes''', também conhecida como '''lei de Snell''' ou '''lei de Descartes''' ou ainda, simplesmente, '''lei de refração''', se resume a uma expressão que dá o desvio angular sofrido por um raio de luz ao passar para um meio com [[índice de refração]] diferente do qual ele estava percorrendo. Em outras palavras, descreve a relação entre os [[Ângulo de incidência|ângulos de incidência]] e [[refração]], quando referindo-se a luz ou outras [[Onda|ondas]] passando através de uma fronteira (''interface'') entre dois [[Isotropia|meios isotrópicos]] diferentes, tais como água e vidro |
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[[Refração]] da luz na ''interface'' entre dois diferentes [[Índice refrativo|índices de refração]], com . |
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Para um raio de luz monocromática passando de um meio para o outro, é constante o produto do seno do ângulo, formado pelo raio e pela normal, com o índice de refração em que se encontra esse raio. Matematicamente : |
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em que e são os ângulos de incidência e refração, respectivamente, e e os índices de refração dos dois meios. |
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== Índice de refração == |
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O [[índice de refração]] é a [[razão (matemática)|razão]] entre a velocidade da luz no [[vácuo]] (c) e a [[velocidade da luz]] em um determinado meio. Em meios com índices de refração mais baixos (próximos a 1) a luz tem velocidade maior (ou seja, próximo a velocidade da luz no vácuo). A relação pode ser descrita pela fórmula: |
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Em que: '''c''' é a velocidade da luz no vácuo (c = 3 x <math>10^8</math> m/s); '''v''' é a velocidade da luz no meio; |
Em que: '''c''' é a velocidade da luz no vácuo (c = 3 x <math>10^8</math> m/s); '''v''' é a velocidade da luz no meio;<ref>{{citar web|url=http://www.rc.unesp.br/igce/petrologia/nardy/mon.html|titulo=O índice de refração|data=|acessodata=08-06-20|publicado=Universidade Estadual de São Paulo|ultimo=Nardy|primeiro=Antônio}}</ref> |
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A velocidade de propagação da luz no ar depende da frequência da luz, já que o ar é um meio material. Porém, essa velocidade é quase igual a c = 3 x <math>10^8</math> m/s para todas as |
A velocidade de propagação da luz no [[ar]] depende da frequência da luz, já que o ar é um meio material. Porém, essa velocidade é quase igual a c = 3 x <math>10^8</math> m/s para todas as [[cor]]es. Ex.: índice de refracção da luz violeta no ar = 1,0002957 e índice de refracção da luz vermelha no ar = 1,0002914. Portanto, nas aplicações, desde que não queiramos uma precisão muito grande, adotaremos o índice de refracção do ar como aproximadamente igual a 1: |
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|}<ref>{{citar web|url=http://efisica.if.usp.br/otica/basico/refracao/indice_refracao|titulo=Ótica (Básico) {{!}} Índice de refração|data=2007|acessodata=08-06-20|publicado=Universidade de São Paulo|ultimo=|primeiro=}}</ref> |
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Como vimos, as cores, por ordem crescente de frequências, são: [[vermelho]], [[Laranja (cor)|laranja]], [[amarelo]], [[verde]], [[azul]], [[anil]] e [[Violeta (cor)|violeta]]. |
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A experiência mostra que, em cada meio material, a velocidade diminui com a frequência, isto é, quanto "maior" a frequência, "menor" a velocidade. |
A experiência mostra que, em cada meio material, a velocidade diminui com a frequência, isto é, quanto "maior" a frequência, "menor" a velocidade. |
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Portanto como <math>n = {c \over v}</math>, concluímos que o índice de refracção aumenta com a frequência. Quanto "maior" a frequência, "maior" o índice de refracção. |
Portanto como <math>n = {c \over v}</math>, concluímos que o índice de refracção aumenta com a frequência. Quanto "maior" a frequência, "maior" o índice de refracção. |
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[[Ficheiro:Glass is Liquide.jpg|thumb|200px|left|O cano verde parece partir-se dentro dos copos por causa da refração da luz.]] |
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Em geral, quando a densidade de um meio aumenta, o seu índice de refração também aumenta. Como variações de temperatura e pressão alteram a densidade, concluímos que essas alterações também alteram o índice de refracção. No caso dos |
Em geral, quando a [[densidade]] de um meio aumenta, o seu índice de refração também aumenta. Como variações de [[temperatura]] e [[pressão]] alteram a densidade, concluímos que essas alterações também alteram o índice de refracção. No caso dos [[sólido]]s, essa alteração é pequena, mas para os [[líquido]]s, as variações de temperatura são importantes e, no caso dos [[Gás|gases]], tanto as variações de temperatura como as de pressão devem ser consideradas. |
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A maioria dos índices de refracção é menor que 2; uma exceção é o diamante, cujo índice é aproximadamente 2,4. Para a luz amarela emitida pelo sódio, sua frequência é <math>f = 5,090 . 10^{14} Hz</math> e cujo comprimento de onda no vácuo é <math>\lambda = 589 nm</math>. Essa é a luz padrão para apresentar os índices de refracção. |
A maioria dos índices de refracção é menor que 2; uma exceção é o [[diamante]], cujo índice é aproximadamente 2,4. Para a luz amarela emitida pelo [[sódio]], sua frequência é <math>f = 5,090 . 10^{14} Hz</math> e cujo comprimento de onda no vácuo é <math>\lambda = 589 nm</math>. Essa é a luz padrão para apresentar os índices de refracção. |
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Consideremos dois meios "A" e "B", de índices de refracção <math>n_A</math> e <math>n_B</math>; se <math>n_A > n_B</math>, dizemos que "A" é mais refringente que "B". |
Consideremos dois meios "A" e "B", de índices de refracção <math>n_A</math> e <math>n_B</math>; se <math>n_A > n_B</math>, dizemos que "A" é mais refringente que "B". |
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=== Continuidade |
=== Continuidade óptica === |
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Consideremos dois meios transparentes ''A'' e ''B'' e um feixe de luz dirigindo-se de ''A'' para ''B''. Para que haja feixe refratado é necessário que <math>n_A \ne n_B</math>. |
Consideremos dois meios transparentes ''A'' e ''B'' e um feixe de luz dirigindo-se de ''A'' para ''B''. Para que haja feixe refratado é necessário que <math>n_A \ne n_B</math>. |
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Quando <math>n_A = n_B</math>, não há luz reflectida e também não há mudança na direção da luz ao mudar de meio; dizemos que há |
Quando <math>n_A = n_B</math>, não há luz reflectida e também não há mudança na direção da luz ao mudar de meio; dizemos que há ''continuidade óptica''. |
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Quando temos um bastão de vidro dentro de um recipiente contendo um líquido com o mesmo índice de refração do vidro, a parte do bastão que está submersa, não refletindo a luz, fica "invisível". |
Quando temos um bastão de [[vidro]] dentro de um recipiente contendo um líquido com o mesmo índice de refração do vidro, a parte do bastão que está submersa, não refletindo a luz, fica "invisível". |
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=== Índice de refracção relativo === |
=== Índice de refracção relativo === |
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== Leis da refração == |
== Leis da refração == |
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Consideremos dois meios transparentes ''A'' e ''B'' e um feixe estreito de luz |
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 '''Refração'''. O raio que apresenta o feixe incidente é o '''raio incidente''' (<math>i</math>), e o raio que apresenta o feixe refratado é o '''raio refratado''' (<math>r</math>). |
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=== A primeira lei da Refração === |
=== A primeira lei da Refração === |
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A normal é uma reta perpendicular à superfície no ponto de incidência, '''θ'''<sub>A</sub> é denominado ângulo de incidência entre o raio e a normal e '''θ'''<sub>B</sub>, ângulo de refração entre o raio e a normal. |
A normal é uma reta perpendicular à superfície no ponto de incidência, '''θ'''<sub>A</sub> é denominado [[ângulo de incidência]] entre o raio e a normal e '''θ'''<sub>B</sub>, ângulo de refração entre o raio e a normal. |
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=== A segunda lei da Refração === |
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para ângulos em radianos e em graus (devido ao fator de conversão entre radianos e graus ser o mesmo para todos os ângulos - 180/pi). |
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Em dias quentes, geralmente em estradas asfaltadas, é muito comum o caminho parecer estar molhado. Isso acontece porque o ar que está próximo ao solo se esquenta, se expandindo. Isso provoca uma queda em sua densidade, diminuindo seu índice de refração em relação ao ar que está mais longe do solo. Quando a luz incide nessa massa de ar menos densa, com um ângulo acima do limite, acontece a [[reflexão total]], que dá a sensação de que a estrada está molhada. |
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* Vácuo: 1,0000 |
* Vácuo: 1,0000 |
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* Ar: 1,0003 (aprox. 20 °C) |
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* Água: 1,3321 (pura, aprox. 20 °C) |
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* Quartzo: 1,54 |
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* Bissulfeto de carbono: 1,63 |
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* Zircônio: 1,92 |
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* Diamante: 2,4200 |
* Diamante: 2,4200 |
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* Acrílico: 1,49 |
* Acrílico: 1,49 |
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Edição atual tal como às 21h08min de 1 de janeiro de 2023
As referências deste artigo necessitam de formatação. (Outubro de 2019) |
Refração (AO 1945: refracção) é a mudança na velocidade de uma onda ao atravessar a fronteira entre dois meios com diferentes índices de refração. A refração modifica a velocidade de propagação e o comprimento de onda, mantendo uma proporção direta. A constante de proporcionalidade é a frequência, que não se altera.[1]
Índice de refração
[editar | editar código-fonte]O índice de refração é a razão entre a velocidade da luz no vácuo (c) e a velocidade da luz em um determinado meio. Em meios com índices de refração mais baixos (próximos a 1) a luz tem velocidade maior (ou seja, próximo a velocidade da luz no vácuo). A relação pode ser descrita pela fórmula:
Em que: c é a velocidade da luz no vácuo (c = 3 x m/s); v é a velocidade da luz no meio;[2]
A velocidade da luz nos meios materiais é menor que c; e assim n > 1. Por extensão, definimos o índice de refracção do vácuo, que por consequência da definição do modelo é igual a 1. Portanto, sendo n o índice de refracção de um meio qualquer, temos:
A velocidade de propagação da luz no ar depende da frequência da luz, já que o ar é um meio material. Porém, essa velocidade é quase igual a c = 3 x m/s para todas as cores. Ex.: índice de refracção da luz violeta no ar = 1,0002957 e índice de refracção da luz vermelha no ar = 1,0002914. Portanto, nas aplicações, desde que não queiramos uma precisão muito grande, adotaremos o índice de refracção do ar como aproximadamente igual a 1:
Como vimos, as cores, por ordem crescente de frequências, são: vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil e violeta.
A experiência mostra que, em cada meio material, a velocidade diminui com a frequência, isto é, quanto "maior" a frequência, "menor" a velocidade.
Portanto como , concluímos que o índice de refracção aumenta com a frequência. Quanto "maior" a frequência, "maior" o índice de refracção.
Em geral, quando a densidade de um meio aumenta, o seu índice de refração também aumenta. Como variações de temperatura e pressão alteram a densidade, concluímos que essas alterações também alteram o índice de refracção. No caso dos sólidos, essa alteração é pequena, mas para os líquidos, as variações de temperatura são importantes e, no caso dos gases, tanto as variações de temperatura como as de pressão devem ser consideradas.
A maioria dos índices de refracção é menor que 2; uma exceção é o diamante, cujo índice é aproximadamente 2,4. Para a luz amarela emitida pelo sódio, sua frequência é e cujo comprimento de onda no vácuo é . Essa é a luz padrão para apresentar os índices de refracção.
Consideremos dois meios "A" e "B", de índices de refracção e ; se , dizemos que "A" é mais refringente que "B".
Continuidade óptica
[editar | editar código-fonte]Consideremos dois meios transparentes A e B e um feixe de luz dirigindo-se de A para B. Para que haja feixe refratado é necessário que .
Quando , não há luz reflectida e também não há mudança na direção da luz ao mudar de meio; dizemos que há continuidade óptica.
Quando temos um bastão de vidro dentro de um recipiente contendo um líquido com o mesmo índice de refração do vidro, a parte do bastão que está submersa, não refletindo a luz, fica "invisível".
Índice de refracção relativo
[editar | editar código-fonte]Se o índice de refracção de um meio A é e o índice de um meio B é , definimos:
= índice de refração do meio A em relação ao meio B = |
= índice de refração do meio B em relação ao meio A = |
Sendo vA e vB as velocidades da luz nos meios A e B, temos:
Leis da refração
[editar | editar código-fonte]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 Refração. O raio que apresenta o feixe incidente é o raio incidente (), e o raio que apresenta o feixe refratado é o raio refratado ().
A primeira lei da Refração
[editar | editar código-fonte]O raio incidente, o raio refratado e a normal, no ponto de incidência, estão contidos num mesmo plano. |
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A normal é uma reta perpendicular à superfície no ponto de incidência, θA é denominado ângulo de incidência entre o raio e a normal e θB, ângulo de refração entre o raio e a normal.
A segunda lei da Refração
[editar | editar código-fonte]Os senos dos ângulos de incidência e refracção são diretamente proporcionais às velocidades da onda nos respectivos meios. |
---|
Ou seja:
Dessa igualdade tiramos:
A Segunda Lei da Refração 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 refração será maior. Explicando melhor: se , o mesmo ocorre com seus senos, ; logo, para manter a igualdade da equação I, . Ou seja, o menor ângulo θB ocorre no meio mais refringente, .
Pelo princípio da reversibilidade, se a luz faz determinado percurso, ela pode fazer o percurso inverso. Assim, se ela faz o percurso XPY, ela pode fazer o percurso YPX. Mas, tanto num caso como no outro, teremos:
Quando a incidência for normal, não haverá desvio e teremos , e, portanto, , de modo que a Segunda Lei também é válida nesse caso, na forma da equação I:
Caso de ângulos pequenos
[editar | editar código-fonte]Na tabela seguinte, apresentamos alguns ângulos "pequenos" expressos em graus e radianos, com o respectivo valor do seno e da tangente:
Ângulo em graus | Ângulo em radianos | Seno | Tangente |
---|---|---|---|
0 | 0 | 0 | 0 |
2 | 0,035 | 0,035 | 0,035 |
4 | 0,070 | 0,070 | 0,070 |
6 | 0,105 | 0,104 | 0,105 |
8 | 0,140 | 0,139 | 0,140 |
10 | 0,174 | 0,174 | 0,176 |
Observando esta tabela, percebemos que, para um ângulo θ, até aproximadamente 10° temos:
quando θ está expresso em radianos. Assim, para ângulos pequenos, a Segunda Lei da Refração pode ser escrita:
para ângulos em radianos e em graus (devido ao fator de conversão entre radianos e graus ser o mesmo para todos os ângulos - 180/pi).
Índices de refração de alguns meios, em relação ao vácuo
[editar | editar código-fonte]- Vácuo: 1,0000
- Ar: 1,0003 (aprox. 20 °C)
- Água: 1,3321 (pura, aprox. 20 °C)
- Gelo: 1,3100
- Álcool: 1,3600
- Glicerina: 1,47
- Vidro: 1,4000 a 1,9000
- Sal de cozinha: 1,54
- Quartzo: 1,54
- Bissulfeto de carbono: 1,63
- Zircônio: 1,92
- Diamante: 2,4200
- Rutilo: 2,80
- Acrílico: 1,49
Ver também
[editar | editar código-fonte]
- ↑ http://www.algosobre.com.br/fisica/refracao-da-luz.html
- ↑ Nardy, Antônio. «O índice de refração». Universidade Estadual de São Paulo. Consultado em 8 de junho de 2020
- ↑ «Ótica (Básico) | Índice de refração». Universidade de São Paulo. 2007. Consultado em 8 de junho de 2020