Reflexão e Refração total da Luz

O que é Refração? O que é o índice de refringência? Quais são as leis da Refração? O que é um dioptro plano? O que é e quando ocorre Reflexão total da luz? Venha aprender mais sobre a luz nesta aula de Física para o Enem.

Venha revisar com a gente os dois principais fenômenos que aparecem nos vestibulares e no Enem, a Refração e Reflexão da luz! Entenda tudo sobre a Lei de Snell-Descartes, o Ângulo limite e a Reflexão total. Vem com a gente revisar física para mandar bem em Ciências da Natureza no Enem e nos vestibulares!

Refração da luz

A Refração da luz é um fenômeno que consiste na mudança de direção de propagação de um feixe de luz. Esse fenômeno luminoso ocorre pelo fato da velocidade de propagação da luz ser alterada. Como consequência dessa mudança em sua velocidade, a trajetória dos raios sofre um desvio.

É importante observar que essa mudança na direção e velocidade ocorre apenas na interface que separa os dois meios pelos quais a luz está passando. E esse desvio só ocorre quando o raio ou feixe de luz incide obliquamente. Se vier a incidir perpendicularmente o desvio não ocorre, mas a Refração ocorrerá normalmente.

Para você entender melhor, temos abaixo duas figuras. A primeira imagem representa um raio luminoso incidindo obliquamente na superfície que separa dois meios, ar e água. Na segunda imagem vemos um raio luminoso incidindo perpendicularmente.

refração da luz exemplo
Imagem 1: Esquema demonstrando a refração de um raio luminoso que incide obliquamente ao passar do ar para a água. Uma seta vermelha representa o raio luminoso que, ao passar do ar para a água, sofre um desvio em sua trajetória.
refração luz
Imagem 2: Esquema demonstrando a refração de um raio luminoso que incide perpendicularmente sobre a interface ar/ água. Uma seta vermelha representa o raio luminoso que, ao passar do ar para a água, não sofre desvios em sua trajetória, devido ao ângulo de incidência na interface entre os dois meios.

Perceba que muito embora nessa última não ocorra desvio, a Refração ocorre normalmente. Isso porque há alteração na velocidade da luz ao passar de um meio para o outro.

Índice de Refração

O índice de Refração é uma grandeza que permite comparar a velocidade da luz nos diferentes meios onde ela passa.

Esse índice é representado pela letra n e é definido como a razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz no meio em questão. Matematicamente temos:

fórmula índice de refração (n = c/v)

Sendo C a velocidade da luz no vácuo (igual a 300.000 km/s) e V a velocidade da luz no meio em questão.

O índice de Refração é adimensional, ou seja, não possui unidade de medida.

Vamos ver um exemplo de como pode ser cobrado em um exercício.

  • A velocidade da luz em certo meio é ¾ da velocidade da luz no vácuo. Determine o valor do índice de Refração desse meio.

Resolução:

Velocidade da luz no meio = ¾ de 300.000 km/s

Velocidade da luz no meio = ¾ . 300000

Velocidade da luz no meio = 3.300000/4 =  225000

Velocidade da luz no meio = 225.000 km/s

Agora calculamos o índice de Refração:

fórmula índice de refração (n = c/v)

 

300000/225000 = 1,33

 

Portanto, o índice de Refração desse meio é 1,33

Leis da Refração

A refração ocorre sob alguns princípios. Veja:

Primeira lei da refração: O raio incidente (aquele que incide sobre a interface entre os meios), o raio refletido (parte do raio luminoso que é refletido dentro do mesmo meio) e o raio refratado (parte da luz que passa para o meio a seguir) estão todos no mesmo plano.

primeira lei da refração

Em superfícies planas, o ângulo do raio incidente sempre será igual ao ângulo do raio refletido.

Segunda lei da refração (Lei de Snell-Descartes)

Os senos dos ângulos incidentes e refratados estão relacionados com as velocidades do meio 1 de incidência e do meio 2 de Refração da seguinte forma:

a lei de snells refração da luz

E lembrando de   , temos:

Substituindo as duas velocidades na equação, temos:

segunda lei da refração n1.sen1 = n2.sen2

Vejamos um exercício.

  • Um feixe de luz que vem se propagando do ar incide em uma placa de acrílico com um ângulo de 45º em relação a normal. O índice de Refração do ar vale 1 e o índice de Refração do acrílico é igual a 1,4. Calcule o ângulo de Refração. Use para seno de 45º o valor de 0,7.

Resolução:

Dados:

n1 = 1

n2 = 1,4

θ1 = 45o

sen 45o = 0,7

Agora substituímos os valores na Lei de Snell:

1. 0,7 = 1,4 . senθ2

senθ2 = 0,7 / 1,4

senθ2 = 0,5

O ângulo cujo seno vale 0,5 é 30º.

Então θ2 é 30º.

Dioptro plano

Você sabe o que é um dioptro? Di significa dois e optro, meios ópticos. Então podemos definir que dioptro é um sistema formado por dois mios ópticos separados por uma superfície plana.

Mas, não se preocupe. Ele apenas serve para representar dois meios onde a luz ou feixe de luz os atravessam possibilitando visualizar os efeitos de reflexão e Refração.

Ângulo limite e Reflexão total

Vamos considerar um raio de luz que se propaga de um meio menos refringente, por exemplo o ar, para um meio mais refringente, por exemplo, a água. Esse raio tem como i o ângulo de incidência e r o ângulo de Refração. Neste caso, percebemos que o raio refratado se aproxima da normal. Lembrando que o índice de Refração do ar equivale a 1 e da água, 1,33. Veja a figura abaixo.

refração ar e água

Agora, vamos aumentar o ângulo de incidência i’ para o ângulo de Refração r’ também aumentar. Observe na figura abaixo:

refração ar e água

E se aumentarmos mais ainda, chegaremos a superfície, ou seja, o ângulo i’’ de incidência será de 90º. Vamos fazer outra figurinha?

refração ar e água

Agora pense em fazer o caminho inverso. Imagine você fazer a luz incidir da água para o ar.

Pelo princípio da reversibilidade, o raio realizará o mesmo percurso, só que no sentido contrário. Segue outra figurinha.

refração água e ar

Observa-se que a luz refratou no ar muito, mas muito próximo da superfície da água. Quando isso acontece, esse ângulo r’’ de incidência é denominado Ângulo limite.

A partir desse ângulo começa o que denominamos Reflexão total.

Para qualquer ângulo de incidência maior que o Ângulo limite teremos Reflexão total ou reflexão interna na água, o raio de luz voltando à água.

Nota importante:

  • O Ângulo limite só ocorre quando a luz passa de um meio mais refringente para outro menos refringente.

Entendeu o que é Ângulo limite e Reflexão total? Bom, agora que você entendeu, vamos mostrar como se calcula esse ângulo.

Cálculo do Ângulo limite

Usando a Lei de Snell e lembrando que o ângulo refratado faz 90º com a normal, temos:

cálculo do ângulo limite

Lembre-se que o índice de Refração do meio dois sempre será menor que o do meio 1. (n2 < n1)

Vamos fazer um exercício para fixar?

  • Um feixe de luz incide em uma superfície plana separa dois meios sofrendo Refração. O meio em que incide, possui índice de Refração 2 e o meio em que refrata, 1. Determine qual o valor do Ângulo limite para que ocorra Reflexão total.

Resolução:

Aplicando a fórmula para o Ângulo limite, temos:

Qual o ângulo cujo seno vale 0,5?

A resposta é 30º.

Portanto o Ângulo limite é 30º.

Para fixar melhor os conceitos de reflexão e refração da luz, veja a aula:

Agora resolva 10 exercícios sobre a refração da luz:

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Sobre o(a) autor(a):

Rodinei Pachani é mestre em Geofísica pela USP-SP, com licenciatura plena em matemática, possui pós-graduação em Gerência Financeira e especialização em Estatística Aplicada. Possui experiência de mais de 28 anos em sala de aula, tendo trabalhado com ensino médio, cursinhos e Faculdades. É autor do livro “Ciência ao alcance de todos” e possui um canal no YouTube onde realiza experimentos, explica conteúdos e resolve exercícios de física.