Reflexão e Refração

A luz reflete e viaja em diferentes velocidades e direções, ou refrata, dependendo do material através do qual está se propagando, causando muitos fenômenos ópticos interessantes.

Quando um raio de luz atinge a superfície de um bloco de vidro, uma parte dele muda de direção na interface para retornar ao meio de onde se originou; isso é reflexão. E o resto da luz muda de direção na interface e viaja através do bloco de vidro para economizar energia e impulso; isso é refração.

As lentes encontradas em sistemas ópticos como microscópios fazem uso de reflexão e refração para criar imagens que podem ser percebidas pelo olho humano.

Aqui, discutiremos primeiro os princípios e parâmetros de reflexão e refração. Em seguida, demonstraremos esses fenômenos em um sistema onde o ar e a água são os dois meios. A seguir, estudaremos as maneiras pelas quais as lentes criam imagens, seguidas por algumas aplicações no campo da óptica.

Para entender os princípios e parâmetros de reflexão e refração, vamos escolher dois meios - água e ar.

O primeiro parâmetro-chave a ser observado é o "índice de refração", 'n' - uma característica do meio através do qual a luz viaja. É definido como a razão entre a velocidade da luz no vácuo, 'c', e a velocidade da luz no meio, 'v'. Como o n do ar é menor que a água, a luz viaja mais lentamente através da água em comparação com o ar.

Vamos agora supor que os dois meios, água e ar, estejam em contato um com o outro ao longo de uma interface.

Agora, quando a luz viaja da água para o ar e atinge a interface, parte dela é refletida na interface e o restante é refratado ou dobrado por um ângulo que depende dos índices de refração dos dois meios. Tanto a reflexão quanto a refração também dependem de outro parâmetro - ângulo de incidência, ou ?i.

Este é o ângulo entre a luz incidente e a normal à interface ar-água dentro do primeiro meio, a água. O 'ângulo de reflexão' é medido entre a luz refletida e a mesma normal dentro do primeiro meio, a água, e é igual ao ângulo de incidência. Considerando que o 'ângulo de refração', ou ?r é o ângulo entre a luz refratada e a normal à interface ar-água no segundo meio, o ar.

O ângulo de refração é, portanto, dependente do ângulo de incidência e dos índices de refração dos dois meios. A lei da refração ou Lei de Snell fornece uma relação entre todos esses parâmetros.

Agora, se o ângulo de incidência for aumentado lentamente, em um ponto a luz aparecerá ao longo da interface água-ar e o ângulo de refração será igual a 90 graus. Esse ângulo de incidência é chamado de 'ângulo crítico'. Observe que isso só pode acontecer se o índice de refração do primeiro meio for maior que o segundo.

Sob essa mesma condição, se o ângulo de incidência for aumentado ainda mais, o feixe de luz é refratado tão acentuadamente que é completamente refletido de volta para o primeiro meio de onde a luz se originou. Esse fenômeno é chamado de Reflexão Interna Total.

Tendo revisado os parâmetros que afetam a reflexão e a refração, vamos ver como realizar um experimento em um laboratório de física que valida esses princípios. Reúna todos os materiais e equipamentos necessários, incluindo um tanque de refração especializado com um feixe de luz.

Encha metade do tanque de refração com água. Ligue o feixe de luz e direcione o feixe para a metade do tanque cheio de água.

Usando um transferidor, meça o ângulo de incidência do feixe de luz ou o ângulo medido na água entre o feixe de luz e a normal à interface ar-água. Além disso, meça o ângulo de refração ou o ângulo medido no ar entre o feixe de luz e a normal à interface ar-água

Agora, à medida que o ângulo de incidência aumenta, é alcançado um ponto em que o feixe de luz aparece ao longo da interface ar-água. Anote esse ângulo de incidência, pois é o ângulo crítico para a reflexão interna total.

Em seguida, continue a aumentar o ângulo de incidência girando a fonte de luz no sentido anti-horário. O feixe refratado agora é completamente refletido na água, demonstrando a Reflexão Interna Total.

Em seguida, mova a fonte de luz para que o feixe entre na metade de ar do tanque antes de entrar na água. Repita o protocolo para o novo caminho do feixe de luz para vários ângulos de incidência e registre o ângulo de refração correspondente.

Agora vamos falar sobre lentes, que aproveitam a reflexão e a refração da luz para criar imagens reais e virtuais de objetos. Todas as lentes, sejam convexas ou côncavas, têm uma distância focal 'f', que é a distância da lente na qual os raios de luz provenientes de infinitamente distantes serão focados após passarem pela lente. Para lentes convexas, f é positivo e para lentes côncavas, f é negativo.

Quando um objeto é colocado na frente de uma lente, ele cria uma imagem. A 'Equação da Lente Fina' fornece uma relação matemática entre a distância focal 'f', a distância entre o objeto e a lente, 'o', e a distância entre a lente e a imagem, 'i'.

É essa distância matemática da imagem 'i' que nos diz se uma imagem formada pela lente é real ou virtual. Se o 'i' calculado matematicamente for positivo, a imagem formada será real e, se for negativa, a imagem será virtual.

Para uma lente convexa, quando a distância do objeto 'o' é maior que a distância focal 'f', a distância da imagem calculada matematicamente 'i' será positiva e uma imagem real será formada. Isso se deve à convergência física dos raios de luz que vêm do objeto, como a imagem capturada por uma câmera ou um microscópio.

No entanto, quando a distância do objeto 'o' é menor que a distância focal 'f', a distância da imagem calculada matematicamente 'i' é negativa e uma imagem virtual é formada. Isso ocorre porque os raios de luz parecem convergir, mas na verdade divergem fisicamente, e nossos olhos constroem um ponto de origem para eles. Isso é observado no caso de uma lupa, onde uma imagem virtual ampliada é formada.

Para lentes côncavas, os raios de luz que vêm do objeto passam pela lente e sempre divergem. Assim, o 'i' calculado é sempre negativo e a imagem criada é sempre virtual.

Nesta seção, validaremos a formação de imagens reais e virtuais usando lentes convexas e côncavas simples. Reúna os materiais necessários, ou seja, uma lente convexa, uma lente côncava, uma folha de papel branco, um pequeno objeto distinto e um grampo para segurar o papel verticalmente

Primeiro, coloque a lente convexa entre o objeto e o pedaço de papel. Certifique-se de que todos estejam alinhados e na mesma altura.

Mova o objeto e o papel até que uma imagem nítida do objeto apareça no papel. Esta imagem vista no papel é uma imagem real, pois pode ser capturada em uma tela.

Agora meça a distância da lente ao objeto e da lente ao papel. Use a equação da lente fina para determinar a distância focal da lente.

Em seguida, coloque o papel de lado e aproxime o objeto da lente até que a distância entre a lente e o objeto seja menor que a distância focal da lente. Olhe através da lente e observe a imagem.

Substitua a lente convexa por uma lente côncava. Olhe através da lente côncava e observe a imagem virtual desampliada.

Agora que concluímos o protocolo experimental, vamos revisar como analisar os dados obtidos. No primeiro experimento, medimos o ângulo de incidência e o ângulo de refração na interface água-ar.

Usando a lei de Snell e substituindo os valores desses ângulos na equação, juntamente com o índice de refração do ar, podemos calcular o índice de refração da água, que resulta em 1,33.

Este cálculo pode então ser repetido para os vários ângulos de incidência e refração. A média de todos os índices de refração calculados fornecerá uma medição mais precisa do índice de refração da água.

Também podemos calcular o ângulo crítico para reflexão interna total usando a lei de Snell. Este é o ângulo de incidência quando o ângulo de refração é igual a 90 graus. Reorganize esta equação para resolver o ângulo crítico.

Usando a média calculada anteriormente para o índice de refração da água, a lei de Snell prevê que o ângulo crítico de incidência é de 48,8 graus. Isso é muito próximo do ângulo medido experimentalmente, verificando assim a lei de Snell.

Quando o feixe de luz é projetado do ar para a água, a reflexão interna total não ocorre mesmo em ângulos maiores que 48,8 graus, pois a luz agora está viajando de um meio de índice mais baixo para um índice mais alto.

No experimento com as lentes, a equação da lente fina revela que, para uma distância de objeto de 11,02 centímetros da lente e uma distância de imagem de cerca de 9,21 centímetros, a distância focal da lente é de cerca de 5,02 centímetros.

No caso em que o objeto é observado através de uma lente convexa, a uma distância menor que sua distância focal, uma versão ampliada do objeto é observada. Esta é uma imagem virtual, pois esta imagem não pode ser capturada em uma tela. Da mesma forma, ao usar a lente côncava, uma imagem virtual desampliada do objeto é observada.

A óptica, especificamente as lentes ópticas, é usada em todas as esferas da vida, desde a fotografia até as imagens médicas e o olho humano.

As fibras ópticas são usadas para transmissão de dados em muitas aplicações atuais, como a transmissão de sinais telefônicos. Essas fibras consistem em um núcleo, revestimento e um revestimento externo protetor ou tampão e outras camadas de reforço.

O revestimento orienta os dados na forma de pulsos de luz ao longo do núcleo usando o método de reflexão interna total. Essa propriedade de transmissão de dados permite que câmeras de fibra óptica usadas por médicos visualizem espaços confinados no corpo humano.

A microscopia é o campo do uso de microscópios para visualizar objetos que não são visíveis a olho nu. A microscopia óptica ou de luz envolve a passagem de luz visível, que é refratada ou refletida da amostra, através de uma ou várias lentes para permitir uma visão ampliada da amostra. A imagem resultante pode ser detectada diretamente pelo olho ou capturada digitalmente.

Você acabou de assistir à introdução de JoVE à reflexão e refração. Agora você deve entender os princípios da refração, a lei de Snell e a reflexão interna total e também a teoria por trás das lentes e como elas criam imagens. Como sempre, obrigado por assistir!