LUZ - Parte I

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Física 4 
Luz 
 
Luz 
 Reflexão, Refração, Dispersão, Polarização 
 Fenômenos básicos que podem ser compreendidos 
mediante raios de luz para descrever a propagação 
retilínea da luz, sem se levarem em conta os 
efeitos da interferência e da difração. 
 A aproximação retilínea é válida para a 
propagação de qualquer movimento ondulatório, 
desde que o comprimento de onda seja 
pequeno em comparação com as aberturas e os 
obstáculos encontrados pela onda. 
 Comprimentos de onda da luz visível: 400 nm (luz 
violeta) e 700 nm (luz vermelha) 
A Propagação da Luz: 
Princípio de Huygens 
 Christian Huygens (1629-1695) 
 defensor da teoria ondulatória 
da luz 
 explicou a reflexão e a refração 
admitindo que a luz se 
propagava mais lentamente na 
água e no vidro que no ar 
 
Princípio de Huygens 
 Propagação de qualquer onda através do espaço 
pode ser descrita mediante um método geométrico 
imaginado por Christian Huygens em 1678: 
 Cada ponto de uma frente de onda primária 
serve como fonte puntiforme de ondículas 
secundárias esféricas que avançam numa 
velocidade e numa frequência igual à 
velocidade e à frequência da onda primária. A 
nova frente de onda primária, num instante 
posterior, é a envoltória das ondículas. 
Princípio de Huygens 
onda plana 
onda esférica 
A Propagação da Luz 
 Princípio de Huygens – dedução das 
leis da reflexão e da refração 
Reflexão 
 Quando ondas de qualquer tipo atingem uma 
barreira plana, formam-se novas ondas que se 
afastam da barreira. 
 Fronteira entre dois meios diferentes. 
 
Lei da Reflexão 
 Um raio de luz atinge uma superfície lisa ar-vidro. O ângulo l entre 
o raio incidente e anormal à superfície é o ângulo de incidência, e 
o plano definido pelo raio incidente e a normal é o plano de 
incidência. O raio refletido está no plano de incidência e faz o 
ângulo de reflexão r com a normal, e este ângulo é igual ao 
ângulo de incidência. 
 
Lei da reflexão 
Lei da Reflexão 
Ondas ultra-sônicas planas 
na água, refletindo-se numa 
chapa de aço. 
Raios de luz refletindo-se 
numa superfície ar-vidro. 
O ângulo de reflexão é igual ao de incidência. 
Índice de refração 
 A velocidade da luz num meio é caracterizada 
pelo índice de refração n que se define como 
a razão entre a velocidade da luz no vácuo c 
e a velocidade da luz no meio . 
Índice de refração 
Intensidade refletida 
Interface ar-vidro 
Apenas 4% da energia são refletidos, 
o resto é transmitido. 
Reflexão especular e 
Reflexão difusa 
Reflexão especular: reflexão por uma superfície polida. 
Reflexão difusa: reflexão por uma superfície rugosa. 
Os raios da fonte P, refletidos 
por um espelho e recebidos 
pela vista, parecem provir do 
ponto imagem atrás do 
espelho. 
Em virtude de a superfície ser 
despolida, os raios atingem a vista 
depois de terem sido refletidos por 
muitos pontos diferentes da superfície 
e não há formação de imagem. 
Lei da Reflexão 
 Deduzida pelo princípio de Huygens. 
Frente de onda plana AA 
 
 
Princípio de Huygens, cada 
ponto numa dada frente de 
onda pode ser considerado 
fonte puntiforme de ondículas 
secundária. 
Ondículas que não atingem o 
espelho, frente de onda BB 
Ondículas que atingem o 
espelho, frente de onda BB 
Lei da Reflexão 
Triângulos congruentes 
Reflexão 
1. Calcular a fração de energia luminosa que é 
refletida, na incidência normal, numa superfície ar-
água (n=1,33 para a água). 
2. A luz incide normalmente numa lâmina de vidro 
que tem o índice de refração n=1,5. A reflexão 
ocorre nas duas faces da lâmina. Qual a 
percentagem aproximada da energia luminosa 
incidente que é transmitida pela lâmina? 
Refração 
 Quando um feixe de luz atinge uma superfície que 
separa dois meios diferentes, parte da energia 
luminosa é refletida e uma outra parte penetra no 
segundo meio. A mudança de direção do raio 
transmitido é a refração. 
 
Mecanismo físico - reflexão 
 O mecanismo físico da reflexão da luz pode ser entendido 
em termos da absorção e reirradiação da luz pelos átomos 
do meio refletor. 
 Quando a luz que se desloca no ar atinge uma superfície de 
vidro, os átomos do vidro absorvem a luz e reirradiam em 
todas as direções. 
 As ondas que são irradiadas para o meio de onde vieram 
interferem construtivamente num ângulo igual ao ângulo 
de incidência a fim de provocar a onda refletida. 
Mecanismo físico - refração 
 A onda transmitida é o resultado da interferência da onda 
incidente e da onda provocada pela absorção e 
reirradiação da energia luminosa pelos átomos do meio. 
 Quando a luz entra no vidro, vinda do ar, há um atraso de fase 
entre a onda reirradiada e a onda incidente. Por isso, também 
há um atraso de fase ente a onda resultante e a onda incidente. 
 Atraso de fase – a posição das cristas da onda, na onda 
transmitida, está retardada em relação à posição das cristas da 
onda, na onda incidente. Por isso, num certo tempo, a onda 
transmitida não avança tanto no meio quanto a onda incidente 
no meio original. 
 A velocidade da onda transmitida é menor que a da 
onda incidente. 
 
Índice de refração do vidro 
 A velocidade da onda transmitida é menor que a da 
onda incidente. 
 O índice de refração, que é a razão entre a velocidade 
da luz no vácuo e a velocidade no meio é, portanto, 
maior que 1. 
 A velocidade da luz no vidro é cerca de dois terços da 
velocidade da luz no vácuo. 
 O índice de refração do vidro é cerca de 
 
 
 
Comprimento de onda 
 A frequência da luz no segundo meio é igual à 
da luz incidente – os átomos absorvem e reirradiam 
luz na mesma frequência – mas a velocidade da 
onda é diferente, o comprimento de onda da 
luz transmitida é diferente do da luz incidente. 
 Se  for o comprimento da luz no vácuo, o 
comprimento de onda  da mesma luz num meio 
de índice de refração n é 
Comprimento de onda 
 A luz do sódio tem o comprimento de onda de 
589 nm no vácuo. Achar o comprimento de 
onda da luz de sódio (a) na água, onde n=1,33 
e (b) num vidro com n=1,50. 
Ângulo de refração 
 Ângulo de refração  
 
 
 
 
 
 
 
 Ângulo de refração é menor que 
o ângulo de incidência 
Ângulo de refração é maior que o 
ângulo de incidência 
Princípio de Huygens 
 Onda plana que incide sobre uma superfície ar-vidro. 
 Frente de onda AP 
 Frente de onda BB 
Lei da refração de Snell 
Lei de Snell 
Willebrord Snell - 1621 
Lei da refração de Snell 
 A luz atravessando o ar, incide sobre uma superfície 
de água sob o ângulo de incidência de 45. Se o 
índice de refração da água for 1,33, qual o ângulo 
de refração? 
Reflexão total 
 Fonte puntiforme, superfície vidro-ar 
 Ângulo de incidência aumenta – ângulo de refração aumenta 
 Ângulo de incidência crítico c – ângulo de refração é 90 
 Ângulos de incidência maiores que o ângulo crítico – 
não haverá raio refratado – toda energia será refletida 
 Reflexão total 
Ângulo crítico 
Obs.: a reflexão total só pode ocorrer quando a luz está originalmente 
num meio que tem índice de refração maior que o do segundo meio. 
Ângulo crítico da reflexão total 
Reflexão total 
 
Reflexão total 
 Um certo vidro tem o índice de refração n=1,50. 
Qual o ângulo crítico da reflexão total, quando a luz 
está no vidro e incide numa superfície vidro-ar? O 
índice de refração do ar é n=1,00. 
Prisma 
 Índice de refração do prisma 1,5 
 Ângulo crítico da reflexão total 42 
 Ângulo de incidência 45 - luz totalmente refletida 
 
 
 Luz totalmente refletida duas vezesFibras óticas 
 Fibra de vidro transparente, delgada e comprida 
 Se o feixe de luz entra na fibra numa direção paralela à do 
eixo da fibra, atingirá as paredes da fibra sob ângulos maiores 
que o ângulo crítico e então não se perde energia luminosa 
através das paredes da fibra. 
Fibra ótica 
 
Refração 
1. O índice de refração da água é 1,33. Achar o ângulo de 
refração de um feixe de luz no ar e que atinge uma superfície 
de água sob um ângulo com a normal de (a) 20, (b) 30, (c) 
45 e (d) 60. Mostrar estes raios num diagrama. 
2. Repetir o problema com um feixe de luz que está inicialmente 
na água e que incide sobre uma superfície água-ar. 
3. Achar a velocidade da luz na água (n=1,33) e no vidro (n=1,5). 
4. Uma lâmina de vidro, com índice de refração de 1,5, está 
submersa na água, com um índice de refração de 1,33. Um 
feixe de luz, na água, incide sobre o vidro. Achar o ângulo de 
refração se o ângulo de incidência do feixe for (a) 60, (b) 45 
e (c) 30. 
5. Uma superfície de vidro (n=1,50) tem uma camada de água 
(n=1,33) recobrindo-a. Um feixe de luz no vidro incide sobre a 
superfície vidro-água. Achar o ângulo crítico da reflexão total.