Reflexão e Refração
Fonte: Derek Wilson, Asantha Cooray, PhD, Departamento de Física & Astronomia, Escola de Ciências Físicas, Universidade da Califórnia, Irvine, CA
A lu…
1. Determine o índice de refração da água usando a Lei de Refração de Snell (Lei de Refração) e encontre o ângulo crítico para reflexão interna total.
- Obtenha um tanque de refração especializado com uma fonte de luz.
- Encha o tanque de refração com água e ligue a fonte de luz. Direcione o feixe da fonte de luz para a metade do tanque cheia de água. Pode ser necessário apagar as luzes da sala.
- Use o prolongador no tanque de refração para medir o ângulo de incidência do feixe (o ângulo medido na metade do tanque cheio de água) e o ângulo de refração (o ângulo medido na metade do tanque cheio de ar) para a interface água-ar no tanque.
- Utilize os ângulos medidos e o índice de refração para ar (nar = 1,00) para calcular o índice de refração da água.
- Repita as etapas anteriores para alguns ângulos de incidente variando de 0° a pouco menos de 90°.
- À medida que o ângulo do incidente é aumentado, nota-se que o feixe de luz refratado não pode mais ser visto na metade do recipiente que contém ar. Gire lentamente a fonte de luz sobre o tanque até que o ponto em que o feixe de luz desapareça pela primeira vez do ar é atingido. Este é o ângulo crítico para a reflexão interna total.
- Se a fonte de luz for ainda mais girada, deve-se observar que o feixe reflete de volta na água.
- Mova a fonte de luz para que o feixe entre na metade do tanque cheio de ar antes de viajar para a água. Regissão alguns ângulos de incidência e refração nesta condição. Note que, anteriormente, o ângulo de incidência era o ângulo em que a luz viajava através da água. Como a luz está agora passando pelo ar primeiro, o novo ângulo de incidência é o ângulo em que ela viaja pelo ar, e o novo ângulo de refração é o ângulo em que ela viaja através da água.
- Observe que a reflexão interna total não ocorre nesta configuração. O reflexo interno total só ocorre quando a luz passa de um meio com alto índice de refração para um meio com menor índice de refração.
2. Meça a distância focal de uma lente e crie imagens reais e virtuais de um objeto.
- Obtenha uma lente convexa, uma lente côncava, uma folha de papel branco, uma régua e um pequeno objeto distinto. Também ajuda ter um banco óptico com suportes para as lentes e objeto, bem como um aparelho para segurar a folha de papel verticalmente.
- Coloque a lente convexa entre o objeto e o pedaço de papel, tudo em uma linha e na mesma altura.
- Mova o objeto e o papel até que uma imagem nítida do objeto apareça no papel. A imagem no papel é uma imagem real.
- Meça a distância da lente para o objeto e a distância da lente para o papel. Use a equação da lente fina para determinar a distância focal da lente.
- Coloque o papel de lado e mova o objeto mais perto da lente até que a distância entre a lente e o objeto seja menor do que a distância focal da lente.
- Olhe através da lente: uma versão ampliada do objeto deve ser vista. Esta imagem é uma imagem virtual.
- Substitua a lente convexa pela lente côncava. Olhe através da lente côncava: agora uma versão desmagnificada do objeto é visível. Esta também é uma imagem virtual.
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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!
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Q1: What is refractive index and how does it affect light propagation?
Refractive index (n) is a characteristic of a medium defined as the ratio of the speed of light in vacuum to the speed of light in that medium. Since air has a lower refractive index than water, light travels more slowly through water. This difference in refractive index between two media causes light to bend when transitioning between them, a phenomenon called refraction.
Q2: How does Snell's Law relate angle of incidence to angle of refraction?
Snell's Law provides a mathematical relationship between the angle of incidence, angle of refraction, and the refractive indices of two media. The angle of incidence is measured between the incident light and the normal to the interface in the first medium, while the angle of refraction is measured in the second medium. This law allows calculation of how light bends when traveling between materials with different refractive indices.
Q3: What is the critical angle and when does total internal reflection occur?
The critical angle is the specific angle of incidence at which the refracted light travels along the interface, making the angle of refraction equal to 90 degrees. This occurs only when light travels from a denser medium to a less dense one. When the angle of incidence exceeds the critical angle, total internal reflection occurs, and light is completely reflected back into the first medium instead of refracting.
Q4: What is the difference between real and virtual images formed by lenses?
Real images form when light rays physically converge after passing through a lens, and can be captured on a screen, as in cameras or microscopes. Virtual images form when light rays appear to diverge, and the eye constructs a point of origin behind the lens; they cannot be projected onto a screen. The Thin Lens Equation determines image type: positive calculated distance indicates a real image, while negative distance indicates a virtual image.
Q5: How do convex and concave lenses differ in image formation?
Convex lenses can form both real and virtual images depending on object distance relative to focal length. When object distance exceeds focal length, a real image forms; when less than focal length, a magnified virtual image forms. Concave lenses always cause light rays to diverge, producing only demagnified virtual images regardless of object position. Both lens types use refraction to bend light and create images.
Q6: How is total internal reflection used in optical fiber technology?
Optical fibers transmit data as light pulses through a core surrounded by cladding and protective coating. The cladding guides light along the core using total internal reflection, which keeps light signals contained within the fiber over long distances. This property enables fiber optic cameras used by doctors to view confined spaces in the human body and supports telecommunications applications like telephone signal transmission.
Q7: What role do reflection and refraction play in optical microscopy?
Optical microscopy uses visible light that is refracted through or reflected from a sample, then passes through single or multiple lenses to magnify the view. Refraction bends light to focus it on the sample, while reflection captures light from the sample surface. The combination of these optical phenomena through lenses allows visualization of objects too small for the naked eye, with images detected directly by the eye or captured digitally.