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155PROMILITARES.COM.BR REFRAÇÃO DA LUZ Antes de iniciarmos os nossos estudos de lentes, vamos entender mais uma propriedade ondulatória, a refração. Claro que, nessa etapa dos nossos estudos, não estamos estudando o caráter ondulatório da luz, mas sim estamos fazendo um estudo geométrico da mesma. Mas, para entendermos como os RL se propagam quando atingem uma lente, temos que usar a sua propriedade ondulatória. REFRAÇÃO É quando uma onda sofre uma mudança na sua velocidade devido à mudança do meio de propagação. A velocidade da luz no vácuo é 3 ⋅108 m/s, já a velocidade da luz na água é na ordem de 2,2 ⋅ 108 m/s. No módulo de ondulatória esse fenômeno é abordado de uma maneira mais detalhada. Por hora o mais importante é entendermos que essa mudança na velocidade da luz pode causar um desvio do RL (falamos que ângulo de incidência ser diferente do ângulo de refração, o ângulo entre o RL e a normal após mudança de meio de propagação). Na figura I, a refração faz com que o lápis aparente estar quebrado. Por ver com mais detalhes o que acontece quando observamos a figura II. A imagem formada do peixe para o menino está exatamente onde a sua mão se encontra, porém, como o RL sofre refração, o peixe está, na verdade, um pouco abaixo. É por isso que objetos no fundo de um copo com água aparentam estar um pouco acima de onde realmente estão. O mesmo vale para a profundidade de uma piscina. A distância entre a superfície de separação entre os meios e a posição onde a imagem se forma é chamada de altura aparente. A distância até onde o objeto de fato está é chamada de altura real. Na figura III, antes de colocar água no copo, o observador não conseguia ver o objeto. Colocando água lentamente, o objeto passa a ser, aos poucos, visível. Note que, com o nível de água da figura, o observador verá a metade direita do objeto. Abaixo temos, à esquerda, uma onda sonora (mecânica) e, à direita, um raio luminoso (onda eletromagnética), sofrendo refração ao sair do ar e entrar na água: Perceba que, no primeiro caso, o vetor que indica a direção de propagação da onda se afasta da normal. Isso acontece porque o som é mais rápido na água que no ar. Observação Se o ângulo de incidência for 0°, ou seja, se o RL for normal à superfície de separação entre os meios, o ângulo de refração também será zero. Por isso que anteriormente afirmamos que, na refração, o RL pode ou não sofrer desvio. Para qualquer outro ângulo, havendo refração, haverá desvio do RL. A refração luminosa não é o desvio da luz, mas sim a mudança de velocidade da luz devido à mudança de meio de propagação, conforme dito no início do módulo. Já na segunda figura, o ângulo entre a direção de propagação e a normal diminui, já que a luz perde velocidade ao entrar na água. Agora olhe o que acontece com os comprimentos de onda durante a refração: 156 REFRAÇÃO DA LUZ PROMILITARES.COM.BR A frequência da onda não é alterada com a mudança de meio (uma luz vermelha não vai virar azul porque entrou na água, por exemplo). O comprimento de onda muda devido à mudança de velocidade. Sendo assim: 2 2 1 1 v v λ = λ No caso específico da luz, dizemos que quanto maior o índice de refração do meio (n), menor será a sua velocidade de propagação. n c v = Onde c é a velocidade da luz no vácuo e v a velocidade da luz no meio. Sendo assim, podemos comparar as velocidades de propagações nos meios através dos seus índices de refração: 2 1 1 2 n v n v = Mas o índice de refração nos diz mais que a velocidade da luz no meio. Também podemos descobrir a relação entre o ângulo de incidência e o ângulo de refração (apenas não utilizei a letra r porque já a usamos para simbolizar o ângulo de reflexão dos RL): 1 2n sen n senι = ε Essa é a lei de Snell. A sua dedução também pode ser encontrada no livro citado anteriormente do Moysés. Sempre que um RL atinge uma superfície haverá refração? Não. Aí é que está o detalhe. Se o RL atingir uma superfície com maior índice de refração, haverá, além da reflexão, refração. Porém, se o RL vier de um meio mais refringente e atingir a superfície de um meio menos refringente, pode ou não haver refração, mas haverá sempre reflexão. Se não houver refração, dizemos que haverá reflexão total. Mas qual seria então essa condição? Como saber se haverá refração e reflexão ou só reflexão (reflexão total)? Observe a figura abaixo: Quando o ângulo de incidência é igual a L , o ângulo de refração vale 90°, ou seja, essa é a situação limite para haver refração. Qualquer RL que tenha ângulo de incidência superior a L não será refratado. Será totalmente refletido. Chamamos L de ângulo limite. Aplicando Snell: n senL n sen n senL n n1 2 2 2 1 90ˆ ˆ� � � � � Note que não há seno maior que 1. Logo, para haver reflexão total, n2 < n1. Exercício Resolvido 01. Complete a direção do RL após refratar no prisma e calcule o ângulo que o RL fará com a normal ao abandoná-lo. Considere o índice de refração do prisma igual a 2 Resolução sen ^ 1L 2 = = ^ L = 45°, como 60 > 45° → reflexão total 30 < 45°, logo vai refratar sen 30° . 2 = sen ε . 1 ε = 45° UM POUCO MAIS SOBRE REFRAÇÃO Vimos anteriormente, nos nossos estudos de refração, que a frequência de uma onda não se altera quando o meio de propagação é alterado, mas o que deve acontecer com uma luz que não é monocromática, ou seja, uma luz com mais de uma frequência (cor), como a luz solar, por exemplo, quando muda de meio? Esse fenômeno é conhecido como dispersão luminosa. A luz solar (luz branca), quando se propaga do ar para água, sofre dispersão, que nada mais é que a separação das luzes que a compõem, que são várias, mas podemos falar em 7 principais: Vermelho, Alaranjado, Amarelo, Verde, Azul, Anil e Violeta – VAAVAAV – sendo o vermelho a cor de menor frequência (portanto maior comprimento de onda) e o violeta, a cor com maior frequência (menor comprimento 157 REFRAÇÃO DA LUZ PROMILITARES.COM.BR de onda). A dispersão foi observada por Newton, em 1666, quando deixou a luz do Sol incidir em um prisma. Seu estudo foi publicado no seu livro de tratado da óptica. No vácuo, uma luz monocromática vermelha possui a mesma velocidade que uma violeta, por exemplo. Não importa a cor (frequência). A velocidade de qualquer luz (na verdade de qualquer onda eletromagnética, como o rádio, raio-X e etc) no vácuo é igual a c (3.108 m/s). Porém, em outro meio, como a água, a velocidade de cada frequência é diferente e é justamente isso que faz a dispersão acontecer. Veja a figura abaixo. Um feixe de luz branca está indo do ar para água. Na dispersão, a luz com maior velocidade (vermelho) se afasta da normal, obedecendo o princípio da refração e, a mais lenta (violeta), será mais próxima da normal. Um prisma funciona como a água nesse caso, fazendo a luz sofrer dispersão: Mas e se a luz branca estiver saindo da água (ou de um prisma) e indo para o ar? Note pela figura acima que, pela equação de Snell, temos uma inversão em relação à dispersão ar - água. Nesse caso, o vermelho tende a se aproximar mais da normal que o violeta. Com isso conseguimos entender um dos fenômenos mais belos da natureza, o arco-íris. As gotículas de água em suspensão no ar funcionam como pequenos prismas. A luz do Sol, ao penetrar nessas gotículas, sofre dispersão, como podemos ver com mais detalhes na figura abaixo: EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO 01. No Circo da Física, o show de ilusionismo, no qual o mágico Gafanhoto utiliza fenômenos físicos para realizar o truque, é uma das atrações mais esperadas. Ele caminha sobre as águas de uma piscina, deixando surpresos os espectadores. Mas como ele faz isso? Na verdade, ele caminha sobre uma plataforma de acrílico (n = 1,49) que fica imersa alguns centímetros na água (n = 1,33), conforme a figura abaixo. O truque está em fazer a plataforma de acrílico ficar invisível dentro da água colocando-se alguns solutos na água. Sobre essa situação, é correto afirmarque: 01) por causa das condições em que o truque ocorre, o mágico, ao olhar para o fundo da piscina, como mostra a figura, verá a imagem do fundo da piscina na posição real em que o fundo se encontra. 02) a plataforma de acrílico fica invisível porque o índice de refração da água é maior do que o índice de refração do acrílico. 04) por causa da plataforma de acrílico, a luz não sofre o fenômeno da refração ao passar do ar para a água. 08) nas condições em que o truque acontece, não é possível ocorrer o fenômeno da reflexão total na superfície de separação entre o acrílico e a água. 16) a plataforma de acrílico fica invisível aos olhos porque a luz não sofre o fenômeno da refração ao passar da água para o acrílico. 32) nas condições em que o truque acontece, a razão entre o índice de refração da água e o índice de refração do acrílico é igual a 1. 158 REFRAÇÃO DA LUZ PROMILITARES.COM.BR 02. Um professor do curso de Materiais da Fatec apresentou aos alunos a seguinte citação: “As fibras ópticas podem ser usadas para guiar a luz ao longo de um determinado caminho. A ideia é fazer um raio de luz percorrer uma fibra transparente, ricocheteando entre as suas paredes. Desde que o ângulo de incidência do raio na parede da fibra seja sempre maior que o ângulo crítico, o raio permanecerá sempre dentro dela mesmo que ela esteja curva”. KIRK, Tim. Physics for the IB Diploma. Oxford University Press, 2003. Livre tradução. Em seguida, pediu para que os alunos respondessem, de maneira assertiva, à qual conceito físico a citação se refere. A resposta correta esperada pelo professor é: a) difração. b) polarização. c) ângulo limite. d) espalhamento. e) dispersão luminosa. 03. As fibras ópticas podem ser usadas em telecomunicações, quando uma única fibra, da espessura de um fio de cabelo, transmite informação de vídeo equivalente a muitas imagens simultaneamente. Também são largamente aplicadas em medicina, permitindo transmitir luz para visualizar vários órgãos internos, sem cirurgias. Um feixe de luz pode incidir na extremidade de uma fibra óptica de modo que nenhuma ou muito pouca energia luminosa será perdida através das paredes da fibra. O princípio ou fenômeno que explica o funcionamento das fibras ópticas é denominado: a) reflexão interna total da luz. b) refração total da luz. c) independência da velocidade da luz. d) reflexão especular da luz. e) dispersão da luz. 04. O gráfico apresenta o comportamento do índice de refração n de um dado material em função do comprimento de onda λ da radiação que se propaga por ele, para uma certa faixa de comprimentos de onda. Com base nesse gráfico, determine a frequência f da radiação de comprimento de onda λ = 500 nm. TEXTO PARA A PRÓXIMA QUESTÃO: A questão a seguir aborda situações relacionadas ao ambiente do metrô, referindo-se a uma mesma composição, formada por oito vagões de dois tipos e movida por tração elétrica. Para seus cálculos, sempre que necessário, utilize os dados e as fórmulas abaixo. CARACTERÍSTICAS DA COMPOSIÇÃO Gerais velocidade máxima 100 km/h aceleração constante 1,10 m/s² desaceleração constante 1,25 m/s² quantidade de vagões tipo I 2 tipo II 6 massa média por passageiro 60 kg Por vagão comprimento médio 22,0 m largura 3,00 m altura 3,60 m massa tipo I 38.000 kg tipo II 35.000 kg motores quantidade 4 potência por motor 140 kW capacidade máxima 8 passageiros/ m² 05. Em uma estação, um cartaz informativo está protegido por uma lâmina de material transparente. Um feixe de luz monocromático, refletido pelo cartaz, incide sobre a interface de separação entre a lâmina e o ar, formando com a vertical um ângulo de 53º. Ao se refratar, esse feixe forma um ângulo de 30º com a mesma vertical. Observe o esquema ampliado a seguir, que representa a passagem do raio de luz entre a lâmina e o ar. Determine o índice de refração da lâmina. 06. Quando uma onda luminosa atravessa dois meios diferentes, por exemplo o ar e uma parede de vidro, qual das quantidades permanece constante? a) A velocidade de propagação. b) A amplitude. c) A frequência. d) O comprimento de onda. 07. Dois meios transparentes, A e B, de índices de refração absolutos An e B An ,n ,≠ são separados por uma superfície plana S, e três raios monocromáticos, 1 2R , R e 3R , se propagam do meio A para o meio B, conforme a figura. É correto afirmar que: a) o raio 3R não sofreu refração. b) o raio 1R é mais rápido no meio B do que no meio A. c) para o raio 3R , o meio B é mais refringente do que o meio A. d) para o raio 2R , B A n 1. n < e) para o raio 1R , B An n 0.⋅ < 159 REFRAÇÃO DA LUZ PROMILITARES.COM.BR 08. Uma lente de Fresnel é composta por um conjunto de anéis concêntricos com uma das faces plana e a outra inclinada, como mostra a figura (a). Essas lentes, geralmente mais finas que as convencionais, são usadas principalmente para concentrar um feixe luminoso em determinado ponto, ou para colimar a luz de uma fonte luminosa, produzindo um feixe paralelo, como ilustra a figura (b). Exemplos desta última aplicação são os faróis de automóveis e os faróis costeiros. O diagrama da figura (c) mostra um raio luminoso que passa por um dos anéis de uma lente de Fresnel de acrílico e sai paralelamente ao seu eixo. Se 1sen( ) 0,5θ = e 2sen( ) 0,75,θ = o valor do índice de refração do acrílico é de: a) 1,50 b) 1,41 c) 1,25 d) 0,66 09. Um raio de luz monocromática de frequência 15f 1,0 10 Hz,= × com velocidade 5v 3,0 10 km s,= × que se propaga no ar, cujo índice de refração é igual a 1, incide sobre uma lâmina de vidro vidro(n 2),= formando um ângulo 45º com a superfície da lâmina. O seno do ângulo de refração é: a) 0,5 b) 0,7 c) 1,0 d) 3,0 e) 2. 10. Um raio de luz monocromático propaga-se por um meio A, que apresenta índice de refração absoluto An 1,= e passa para outro meio B, de índice de refração Bn 2,= conforme figura. Considere que o raio incidente forma com a normal à superfície o ângulo de 45º. Nessas condições, o ângulo de desvio (d), indicado na figura, é igual a: a) 60º b) 30º c) 45º d) 15º e) 90º EXERCÍCIOS DE TREINAMENTO 01. Considerando as velocidades de propagação da luz em dois meios homogêneos e distintos, respectivamente iguais a 200.000 km/s e 120.000 km/s, determine o índice de refração relativo do primeiro meio em relação ao segundo. Considere a velocidade da luz no vácuo, igual a 300.000 km/s. a) 0,6 b) 1,0 c) 1,6 d) 1,7 02. Um raio de luz monocromática propagando-se no ar incide no ponto O, na superfície de um espelho, plano e horizontal, formando um ângulo de 30º com sua superfície. Após ser refletido no ponto O desse espelho, o raio incide na superfície plana e horizontal de um líquido e sofre refração. O raio refratado forma um ângulo de 30º com a reta normal à superfície do líquido, conforme o desenho abaixo. Sabendo que o índice de refração do ar é 1, o índice de refração do líquido é: Dados: sen30 1 2° = e cos60 1 2;° = 3sen60 2 ° = e 3 cos30 . 2 ° = a) 3 3 b) 3 2 c) 3 d) 2 3 3 e) 2 3 03. O aquário da figura abaixo apresenta bordas bem espessas de um material cujo índice de refração é igual a 3. Um observador curioso aponta uma lanterna de forma que seu feixe de luz forme um ângulo de incidência de 60º, atravessando a borda do aquário e percorrendo a trajetória AB. Em seguida, o feixe de luz passa para a região que contém o líquido, sem sofrer desvio, seguindo a trajetória BC. Considere o índice de refração do ar igual a 1,0. O feixe de luz emergirá do líquido para o ar no ponto C? a) Sim, e o seno do ângulo refratado será 3 . 3 b) Sim, e o seno do ângulo refratado será 3 . 2 c) Não, e o seno do ângulo limite será 3 . 2 160 REFRAÇÃO DA LUZ PROMILITARES.COM.BR d) Não, pois o seno do ângulo refratado é menor que o seno do ângulo limite. e) Não, pois o seno do ângulo refratado é maior que o seno do ângulo limite. 04. A tirinha abaixo utiliza um fenômeno físicopara a construção da piada. Que fenômeno é esse? a) Reflexão b) Refração c) Difração d) Propagação retilínea da luz 05. A luz de uma lâmpada de sódio, cujo comprimento de onda no vácuo é 590 nm, atravessa um tanque cheio de glicerina percorrendo 20 metros em um intervalo de tempo 1t . A mesma luz, agora com o tanque cheio de dissulfeto de carbono, percorre a mesma distância acima em um intervalo de tempo 2t . A diferença 2 1t t ,− em nanossegundos, é: Dados: índices de refração: 1,47 (glicerina), e 1,63 (dissulfeto de carbono). a) 21 b) 19 c) 17 d) 13 e) 11 06. O comprimento de onda da luz amarela de sódio é 0,589 µm. Considere um feixe de luz amarela de sódio se propagando no ar e incidindo sobre uma pedra de diamante, cujo índice de refração é igual a 2,4. Quais são o comprimento de onda, em angstroms, e a frequência, em quilo-hertz, da luz amarela de sódio no interior do diamante? Dados: c = 3·108 m/s; 1 angstrom = 10-10 m a) 2.454 e 5,1·1011 b) 2.454 e 5,1·1014 c) 5.890 e 2,1·1011 d) 5.890 e 2,1·1014 e) 14.140 e 5,1·1014 07. O vidro tem índice de refração absoluto igual a 1,5. Sendo a velocidade da luz no ar e no vácuo aproximadamente igual a 3·108 m/s, pode-se calcular que a velocidade da luz no vidro é igual a: a) 2·105 m/s b) 2·105 km/s c) 4,5·108 m/s d) 4,5·108 km/s 08. Uma fibra óptica é um filamento flexível, transparente e cilíndrico, que possui uma estrutura simples composta por um núcleo de vidro, por onde a luz se propaga, e uma casca de vidro, ambos com índices de refração diferentes. Um feixe de luz monocromático, que se propaga no interior do núcleo, sofre reflexão total na superfície de separação entre o núcleo e a casca segundo um ângulo de incidência á, conforme representado no desenho abaixo (corte longitudinal da fibra). Com relação à reflexão total mencionada acima, são feitas as afirmativas abaixo. I. O feixe luminoso propaga-se do meio menos refringente para o meio mais refringente. II. Para que ela ocorra, o ângulo de incidência α deve ser inferior ao ângulo limite da superfície de separação entre o núcleo e a casca. III. O ângulo limite da superfície de separação entre o núcleo e a casca depende do índice de refração do núcleo e da casca. IV. O feixe luminoso não sofre refração na superfície de separação entre o núcleo e a casca. Dentre as afirmativas acima, as únicas corretas são: a) I e II b) III e IV c) II e III d) I e IV e) I e III 09. Uma fonte luminosa está fixada no fundo de uma piscina de profundidade igual a 1,33 m. Uma pessoa na borda da piscina observa um feixe luminoso monocromático, emitido pela fonte, que forma um pequeno ângulo α com a normal da superfície da água, e que, depois de refratado, forma um pequeno ângulo β com a normal da superfície da água, conforme o desenho. A profundidade aparente “h” da fonte luminosa vista pela pessoa é de: Dados: sendo os ângulos α e β pequenos, considere tg senα ≅ α e tg sen .β ≅ β Índice de refração da água: nágua= 1,33; índice de refração do ar: nar= 1 a) 0,80 m b) 1,00 m c) 1,10 m d) 1,20 m e) 1,33 m 10. A figura abaixo mostra um prisma triangular ACB no fundo de um aquário, contendo água, imersos no ar. O prisma e o aquário são feitos do mesmo material. Considere que um raio luminoso penetra na água de modo que o raio retratado incida perpendicularmente à face AB do prisma. Para que o raio incidente na face CB seja totalmente refletido, o valor mínimo do índice de refração do prisma deve ser: Dados: arn 1,00;= Asen 0,600θ = e Bsen 0,800θ = a) 1,10 b) 1,15 c) 1,20 d) 1,25 e) 1,30 161 REFRAÇÃO DA LUZ PROMILITARES.COM.BR 11. A figura abaixo mostra uma face de um arranjo cúbico, montado com duas partes geometricamente iguais. A parte 1 é totalmente preenchida com um líquido de índice de refração 1n e a parte 2 é um bloco maciço de um material transparente com índice de refração 2n . Neste arranjo, um raio de luz monocromático, saindo do ponto P, chega ao ponto C sem sofrer desvio de sua direção inicial. Retirando-se o líquido 1n e preenchendo-se completamente a parte 1 com um outro líquido de índice de refração 3n , tem-se que o mesmo raio, saindo do ponto P, chega integralmente ao ponto D. Considere que todos os meios sejam homogêneos, transparentes e isotrópicos, e que a interface entre eles forme um dióptro perfeitamente plano. Nessas condições, é correto afirmar que o índice de refração 3n pode ser igual a: a) 1,5 n1 b) 1,3 n1 c) 1,2 n1 d) 1,1 n1 12. Considere um recipiente fixo contendo um líquido em repouso no interior de um vagão em movimento retilíneo e uniforme que se desloca para a direita. A superfície de separação entre o líquido e o ar contido no vagão forma um dióptro perfeitamente plano que é atravessado por um raio luminoso monocromático emitido por uma fonte F fixa no teto do vagão, como mostra a figura abaixo. Nessa condição, o ângulo de incidência do raio luminoso é θ1 = 60º. Num determinado momento, o vagão é acelerado horizontalmente para a esquerda com aceleração constante de módulo 3 a g 3 = e, nessa nova situação, o ângulo de incidência do raio, neste dióptro plano, passa a ser 2.θ Considerando que a aceleração gravitacional no local é constante e possui módulo igual a g, a razão entre os senos dos ângulos de refração dos raios refratados na primeira e na segunda situações, respectivamente, é: a) 1 2 b) 1 c) 2 d) 3 13. Uma pessoa observa uma moeda no fundo de uma piscina que contém água até a altura de 2,0 m. Devido à refração, a pessoa vê a imagem da moeda acima da sua posição real, como ilustra a figura. Considere os índices de refração absolutos do ar e da água iguais a 1,0 e 4 , 3 respectivamente. a) Considerando senθ = 0,80, qual o valor do seno do ângulo β? b) Determine a quantos centímetros acima da posição real a pessoa vê a imagem da moeda. 14. As fibras ópticas funcionam pelo Princípio da Reflexão Total, que ocorre quando os raios de luz que seguem determinados percursos dentro da fibra são totalmente refletidos na interface núcleo- casca, permanecendo no interior do núcleo. Considerando apenas a incidência de raios meridionais e que os raios refratados para a casca são perdidos, e ainda, sabendo que os índices de refração do ar, do núcleo e da casca são dados, respectivamente, por 0 1n , n , e 2 1 2 0n (n n n ),> > o ângulo máximo de incidência a,θ na interface ar- núcleo, para o qual ocorre a reflexão total no interior da fibra é: Considerações: - raios meridionais são aqueles que passam pelo centro do núcleo; e - todas as opções abaixo correspondem a números reais. a) 2 2 2 0 1 n n arc sen n − b) 2 2 1 2 0 n n arc sen n − c) 2 2 1 2 0 n n arc sen n − d) 2 2 2 0 1 n n arc sen n − e) 2 2 1 2 0 n n arc cos n − 15. Para demonstrar o fenômeno da refração luminosa, um professor faz incidir um feixe monocromático de luz no ponto A da superfície lateral de um cilindro reto constituído de um material homogêneo e transparente, de índice de refração absoluto igual a 1,6 (figura 1). A figura 2 representa a secção transversal circular desse cilindro, que contém o plano de incidência do feixe de luz. Ao incidir no ponto A, o feixe atravessa o cilindro e emerge no ponto B, sofrendo um desvio angular α. 162 REFRAÇÃO DA LUZ PROMILITARES.COM.BR Sabendo que a velocidade da luz no vácuo é igual a 83 10 m s,× que o índice de refração absoluto do ar é igual a 1,0 e adotando sen 53º = 0,8, calcule: a) a velocidade escalar do feixe luminoso, em m/s, no interior do cilindro. b) o desvio angular α, em graus, sofrido pelo feixe luminoso ao atravessar o cilindro. 16. Um raio luminoso atravessa um prisma de vidro de índice de refração n, imerso em água, com índice de refração água.n . Sabendo que tanto o ângulo α como o ângulo de incidência são pequenos, a razão entre o desvio angular ∆ e o α será: a) água n 1 n − b) águan 1 n + c) água n 1 n 2 − d) água n 1 n 2 + e) água n 1 n − 17. Os peixes da família Toxotidae, pertencentes à ordem dos Perciformes, naturais da Ásia e da Austrália, são encontrados em lagoas e no litoral. Eles são vulgarmente chamados de peixes- arqueiros pela peculiar técnica de caça que utilizam. Ao longo da evolução, tais peixes desenvolveram a extraordinária habilidade de atingir suas presas, geralmente insetos que descansam sobre ramos ou folhas próximos à superfície da água, por meio de um violento jato de água disparado pela boca. Para acertar seus alvos com tais jatos de água, instintivamente os peixes levam em conta tanto a refração da água quanto o ângulo de saída do jato em relação à superfície da água. Conforme o exposto, considere um peixe-arqueiro que aviste um inseto a uma distância d e uma altura h, como indicado na figura. Para os casos em que h = d, a) calcule a distância horizontal aparente, ou seja, a distância da presa percebida pelo peixe-arqueiro devido à refração, supondo que a água possua um índice de refração n 2;= b) determine uma expressão para o módulo da velocidade inicial v0 do jato de água emitido pelo peixe-arqueiro em função de d e da aceleração da gravidade g, supondo que a velocidade inicial forme um ângulo θ = 60º com a superfície da água. 18. Em muitos materiais transparentes, o índice de refração n do material varia em função do comprimento de onda λ da luz incidente, de acordo com o gráfico a seguir. PARÂMETROS RECONHECIDOS D i ar vermelho violeta sen n n n θ C=velocidade da luz no vácuo Considere um feixe estreito de luz branca incidindo do ar, com ângulo de incidência i,θ sobre um material transparente de espessura D, conforme a figura a seguir. Considerando o exposto, determine, em função dos parâmetros conhecidos: a) o seno do ângulo de refração da cor visível que, dentro do material, sofrerá o maior desvio em relação ao feixe incidente; b) a cor visível que terá a maior velocidade de propagação dentro do material e o tempo que ela levará para atravessá-lo. 19. Um raio de luz monocromática incide perpendicularmente no fundo transparente de um balde cilíndrico, inicialmente em repouso. Continuando a sua trajetória, o raio de luz atravessa a água a uma distância b do eixo z (eixo de simetria do balde) até ser transmitido para o ar, de acordo com a figura acima. Se o balde e a água giram em torno do eixo z a uma velocidade angular constante ω, calcule o menor valor de b para o qual a luz sofre reflexão total. 163 REFRAÇÃO DA LUZ PROMILITARES.COM.BR Dados: - índice de refração da água: n; - índice de refração do ar: 1; - raio do balde: R > b. 20. O fenômeno da refração se caracteriza pelo fato da luz passar de um meio para outro. Sobre esse fenômeno, assinale o que for correto. 01) O desvio que um raio luminoso sofre ao passar de um meio para outro depende da frequência da luz. 02) Um raio luminoso refratado aproxima-se do normal para qualquer par de meios que se propague. 04) A luz se refrata integralmente quando atinge uma superfície de separação de dois meios transparentes. 08) Para qualquer ângulo de incidência um raio de luz monocromática tem propagação retilínea ao incidir sobre uma superfície de separação de dois meios transparentes. 16) A luz não sofre refração ao passar de um meio para outro, se os meios tiverem as mesmas propriedades físicas. 21. Com relação ao fenômeno físico da refração, assinale o que for correto. 01) Em um meio material, uniforme, homogêneo e que possui índice de refração maior que o do ar, o índice de refração é mínimo para a luz violeta e máximo para a luz vermelha. 02) Ao passar de um meio menos refringente, A, para um meio mais refringente, B, a luz que se propagar com maior velocidade, no meio B, sofrerá menor desvio com relação à normal. 04) Prismas de refringência que exploram o fenômeno da refração podem ser usados em espectroscopia para a análise de luzes monocromáticas. 08) A lei de Snell-Descartes afirma que, para cada par de meios e para cada luz monocromática que se refrata, o produto do seno do ângulo que o raio forma com a normal e o índice de refração do meio é constante. 16) Um raio de luz policromática, ao atravessar obliquamente o vidro plano e semitransparente de uma janela, sofrerá um desvio lateral que será tanto maior quanto maior for o índice de refração do vidro da janela. 22. Considere uma lâmina de vidro de faces paralelas imersa no ar. Um raio luminoso propaga-se no ar e incide em uma das faces da lâmina, segundo um ângulo θ em relação à direção normal ao plano da lâmina. O raio é refratado nesta face e refletido na outra face, que é espelhada. O raio refletido é novamente refratado na face não espelhada, voltando a propagar-se no ar. Sendo nAr e nVidro, respectivamente, os índices de refração da luz no ar e no vidro, o ângulo de refração α que o raio refletido forma no vidro, com a direção normal ao plano da lâmina, ao refratar-se pela segunda vez, obedece à equação: a) nVidro senα = nAr senθ/2 b) α = θ c) senα = cosθ d) nVidro senα = nAr senθ e) nAr senα = nVidro senθ 23. Um bastão é colocado sequencialmente em três recipientes com líquidos diferentes. Olhando-se o bastão através de cada recipiente, observam-se as imagens I, II e III, conforme ilustração a seguir, pois os líquidos são transparentes. Sendo nAr, nI, nII e nIII os índices de refração do ar, do líquido em I, do líquido em II e do líquido em III, respectivamente, a relação que está correta é: a) nAr < nI < nII b) nII < nAr < nIII c) nI > nII > nIII d) nIII > nII > nI e) nIII < nI < nII 24. Em um dia ensolarado, dois estudantes estão à beira de uma piscina onde observam as imagens de duas garrafas idênticas, uma em pé, fora da piscina, e outra em pé, dentro da piscina, imersa na água. A figura 1 corresponde ao objeto real, enquanto as possíveis imagens das garrafas estão numeradas de 2 a 6, conforme apresentado a seguir. O par de figuras que representa as imagens das garrafas localizadas fora e dentro da água, conforme conjugada pelo dioptro água-ar, é, respectivamente: a) 2 e 6 b) 2 e 3 c) 3 e 4 d) 5 e 4 e) 5 e 6 25. No interior de uma piscina há um espelho plano horizontal. Um raio de luz monocromática, vindo do ar, penetra na água com ângulo de incidência de 450 , refrata-se e, a seguir, reflete-se no espelho. O raio refletido pelo espelho, que faz 600 com o raio refratado, retorna à superfície livre da água e emerge para o ar, como mostra, abaixo, a figura 1. Gira-se o espelho em torno de um eixo vertical até que o raio refletido por ele retorne à superfície livre da água com ângulo de incidência limite (L), como mostra a figura 2, acima. Sendo o índice de refração do ar nar =1, pode-se afirmar que, em relação à sua posição inicial, o espelho girou: 164 REFRAÇÃO DA LUZ PROMILITARES.COM.BR a) 15º b) 12,5º c) 10º d) 7,5º e) 5º EXERCÍCIOS DE COMBATE 01. (ESPCEX (AMAN) 2015) Uma fibra óptica é um filamento flexível, transparente e cilíndrico, que possui uma estrutura simples composta por um núcleo de vidro, por onde a luz se propaga, e uma casca de vidro, ambos com índices de refração diferentes. Um feixe de luz monocromático, que se propaga no interior do núcleo, sofre reflexão total na superfície de separação entre o núcleo e a casca segundo um ângulo de incidência α, conforme representado no desenho abaixo (corte longitudinal da fibra). Com relação à reflexão total mencionada acima, são feitas as afirmativas abaixo. I. O feixe luminoso propaga-se do meio menos refringente para o meio mais refringente. II. Para que ela ocorra, o ângulo de incidência α deve ser inferior ao ângulo limite da superfície de separação entre o núcleo e a casca. III. O ângulo limite da superfície de separação entre o núcleo e a casca depende do índice de refração do núcleo e da casca. IV. O feixe luminoso não sofre refração na superfície de separação entre o núcleo e acasca. Dentre as afirmativas acima, as únicas corretas são: a) I e II. b) III e IV. c) II e III. d) I e IV. e) I e III. 02. (FUVEST 2017) Em uma aula de laboratório de física, utilizando-se o arranjo experimental esquematizado na figura, foi medido o índice de refração de um material sintético chamado poliestireno. Nessa experiência, radiação eletromagnética, proveniente de um gerador de micro-ondas, propaga-se no ar e incide perpendicularmente em um dos lados de um bloco de poliestireno, cuja seção reta é um triângulo retângulo, que tem um dos ângulos medindo 25°, conforme a figura. Um detetor de micro-ondas indica que a radiação eletromagnética sai do bloco propagando-se no ar em uma direção que forma um ângulo de 15° com a de incidência. A partir desse resultado, conclui-se que o índice de refração do poliestireno em relação ao ar para essa micro-onda é, aproximadamente, Note e adote: - índice de refração do ar: 1,0 - sen 15° ≈ 0,3 - sen 25° ≈ 0,4 - sen 40° ≈ 0,6 a) 1,3 b) 1,5 c) 1,7 d) 2,0 e) 2,2 03. (ESPCEX (Aman) 2017) Um raio de luz monocromática propagando-se no ar incide no ponto O, na superfície de um espelho, plano e horizontal, formando um ângulo de 30° com sua superfície. Após ser refletido no ponto O desse espelho, o raio incide na superfície plana e horizontal de um líquido e sofre refração. O raio refratado forma um ângulo de 30° com a reta normal à superfície do líquido, conforme o desenho abaixo. Sabendo que o índice de refração do ar é 1, o índice de refração do líquido é: Dados: a) 3 b) 3 2 c) 3 d) 2 3 3 e) 2 3 3 a) 3 b) 3 2 c) 3 d) 2 3 3 e) 2 3 3 04. (UNESP 2017) Dentro de uma piscina, um tubo retilíneo luminescente, com 1 m de comprimento, pende, verticalmente, a partir do centro de uma boia circular opaca, de 20 cm de raio. A boia flutua, em equilíbrio, na superfície da água da piscina, como representa a figura. Sabendo que o índice de refração absoluto do ar é 1,00 e que o índice de refração absoluto da água da piscina é 1,25 a parte visível desse tubo, para as pessoas que estiverem fora da piscina, terá comprimento máximo igual a: a) 45 cm. b) 85 cm. c) 15 cm. d) 35 cm. e) 65 cm. 165 REFRAÇÃO DA LUZ PROMILITARES.COM.BR 05. (EN 2013) A figura a seguir mostra um prisma triangular ACB no fundo de um aquário, contendo água, imersos no ar. O prisma e o aquário são feitos do mesmo material. Considere que um raio luminoso penetra na água de modo que o raio retratado incida perpendicularmente à face AB do prisma. Para que o raio incidente na face CB seja totalmente refletido, o valor mínimo do índice de refração do prisma deve ser: Dados: nar = 1,00; senθA = 0,600 e senθB = 0,800 a) 1,10 b) 1,15 c) 1,20 d) 1,25 e) 1,30 06. (EPCAR (AFA) 2011) Três raios de luz monocromáticos correspondendo às cores vermelho (Vm), amarelo (Am) e violeta (Vi) do espectro eletromagnético visível incidem na superfície de separação, perfeitamente plana, entre o ar e a água, fazendo o mesmo ângulo θ com essa superfície, como mostra a figura abaixo. Sabe-se que α, β, e γ são, respectivamente, os ângulos de refração, dos raios vermelho, amarelo e violeta, em relação à normal no ponto de incidência. A opção que melhor representa a relação entre esses ângulos é: a) α > β > γ b) α > γ > β c) .γ > β > α d) .β > α > γ 07. (ESPCEX (AMAN) 2014) Uma fonte luminosa está fixada no fundo de uma piscina de profundidade igual a 1,33 m. Uma pessoa na borda da piscina observa um feixe luminoso monocromático, emitido pela fonte, que forma um pequeno ângulo α com a normal da superfície da água, e que, depois de refratado, forma um pequeno ângulo β com a normal da superfície da água, conforme o desenho. A profundidade aparente “h” da fonte luminosa vista pela pessoa é de: Dados: sendo os ângulos α e β pequenos, considere tgα ≅ senα e tgβ ≅ senβ. índice de refração da água: nágua=1,33 índice de refração do ar: nar=1 a) 0,80 m b) 1,00 m c) 1,10 m d) 1,20 m e) 1,33 m 08. (ITA 2016) Um tubo de fibra óptica é basicamente um cilindro longo e transparente, de diâmetro d e índice de refração n. Se o tubo é curvado, parte dos raios de luz pode escapar e não se refletir na superfície interna do tubo. Para que haja reflexão total de um feixe de luz inicialmente paralelo ao eixo do tubo, o menor raio de curvatura interno R (ver figura) deve ser igual a: a) nd b) d/n c) d/(n – 1) d) nd/(n – 1) e) .√nd/(√n – 1) 09. (UFPA 2016) Um prisma de vidro está no ar e é feito de um material cujo índice de refração é n > 1. A forma de sua seção transversal é a de um triângulo retângulo isósceles, conforme a figura abaixo. Observa-se nele, que um feixe de luz incide perpendicularmente a face de entrada e, após refletir na segunda face inclinada, emerge perpendicularmente na terceira face do prisma, como mostrado pelas setas. Qual deve ser o menor valor do índice de refração n para ocorrer a situação descrita e o feixe não sair pela segunda face? Dado: o índice de refração do ar é igual a 1. a) 1,3 b) √2 c) √3 d) 1,8 e) 1,2 10. (EPCAR (AFA) 2012) Considere um recipiente fixo contendo um líquido em repouso no interior de um vagão em movimento retilíneo e uniforme que se desloca para a direita. A superfície de separação entre o líquido e o ar contido no vagão forma um dioptro perfeitamente plano que é atravessado por um raio luminoso monocromático emitido por uma fonte F fixa no teto do vagão, como mostra a figura abaixo. Nessa condição, o ângulo de incidência do raio luminoso é θ1 = 60°. 166 REFRAÇÃO DA LUZ PROMILITARES.COM.BR Num determinado momento, o vagão é acelerado horizontalmente para a esquerda com aceleração constante de módulo a 3 g= 3 e, nessa nova situação, o ângulo de incidência do raio, neste dioptro plano, passa a ser θ2. Considerando que a aceleração gravitacional no local é constante e possui módulo igual a g, a razão entre os senos dos ângulos de refração dos raios refratados na primeira e na segunda situações, respectivamente, é: a) 1 2 b) 1 c) √2 d) √3 DESAFIO PRO 1 Um conjunto óptico é formado por uma lente convergente e um prisma de Amici, conforme mostra a Figura 1. O conjunto está totalmente integrado, sendo formado pelo mesmo vidro. A lente possui centro óptico O e foco F situado sobre a face- hipotenusa do prisma. Nesse prisma, os raios incidentes sobre a face-hipotenusa sofrem reflexão interna total. Uma lanterna cilíndrica muito potente, com potência óptica de = πP 3 W e diâmetro d = 10 cm, gera raios de luz paralelos ao eixo principal da lente. A lanterna está solidária ao sistema óptico e seus raios são focalizados pela lente e refletidos pelo prisma, até a sua face-cateto plana, saindo do prisma e projetando a luz sobre um anteparo plano alinhado verticalmente. Conforme mostra a Figura 2, no intervalo ≤ <0 t 12 s, todo o conjunto óptico começa a girar, a partir do instante em que P coincide com T, em velocidade angular constante ω = π//36 rad/s. Dessa forma, o contorno da luz projetada no anteparo passa a ser uma curva plana, conhecida na matemática. Diante do exposto, determine: a) o ângulo de abertura θ do cone formado na saída do prisma, quando o índice de refração do conjunto óptico é o mínimo para que o feixe luminoso seja totalmente refletido na face- hipotenusa; b) a expressão da velocidade escalar v(t) com que o ponto P (interseção do eixo do cone com o anteparo) desloca-se verticalmente ao longo do anteparo; e c) a densidade de potência, em W/m², da luz projetada no anteparo, em t = 9s. Neste caso, considere que todas as dimensões do prisma são muito pequenas em relação à distância para o anteparo, ou seja, o ângulo de abertura é θ ao longo de todo o cone de saída, a partir de F. Dados: - o meio externo é o ar: =1n 1; - = = +OF FA 5(1 2 2) cm; e - a separação horizontal entre o foco F da lente e o anteparo, no ponto T, é =FT 10 m. Observação: - a linha FP, prolongamento de FA, é o eixo docone; - o ângulo θ é o ângulo entre o eixo e qualquer geratriz do cone de luz de saída do prisma; e - desconsidere qualquer perda da intensidade luminosa ao longo de todo o percurso até o anteparo. 2 A figura acima mostra um recipiente com paredes transparentes de espessuras desprezíveis. Esse recipiente contém um gás ideal hipotético e é fechado por um êmbolo opaco. Inicialmente, um corpo encontra-se apoiado sobre o êmbolo, em sua extremidade, mantendo todo o sistema em equilíbrio. Uma microcâmera, posicionada no ponto O (interior do recipiente) e direcionada para o ponto A, consegue filmar o ponto B no corpo. O corpo é, então, lançado com velocidade horizontal v e sem atrito. Após o lançamento do corpo, o gás se expande até que o êmbolo atinja o equilíbrio novamente em um intervalo de tempo desprezível. A temperatura permanece constante durante todo o fenômeno. Determine em quanto tempo, após o lançamento, o corpo voltará a ser filmado pela microcâmera. 167 REFRAÇÃO DA LUZ PROMILITARES.COM.BR Observação: - o êmbolo tem altura suficiente para permanecer vedando o recipiente durante toda a expansão do gás; - considere que o gás obedeça à lei de Gladstone-Dale, que diz que a relação entre seu índice de refração n e sua densidade r é constante e dada pela expressão: − = ρ n 1 cte. Dados: - Altura inicial do ponto B: 90cm; - Altura do ponto A: 30 cm; - Base do recipiente: Quadrado de lado 40 cm; - Massa do corpo = Massa do êmbolo; - Velocidade v: 1,5 m/s; - Índice de refração do vácuo: 1,0; e - Aceleração da gravidade: 10 m/s². 3 A figura mostra uma lente semiesférica no ar de raio =R 3 2 m com índice de refração =n 3. Um feixe de luz paralelo incide na superfície plana, formando um ângulo de 60º em relação a x. a) Indique se há raio refratado saindo da lente paralelamente aos incidentes. b) Se houver, ele incide a que distância do centro da lente? c) Para quais ângulos θ será iluminado o anteparo esférico de raio 2R de mesmo centro da lente? Se precisar, utilize os valores das constantes aqui relacionadas. - Constante dos gases: R = 8 J/(mol·K) - Pressão atmosférica ao nível do mar: P0 = 100 kPa - Massa molecular do CO2 = 44 u - Calor latente do gelo: 80 cal/g - Calor específico do gelo: 0,5 cal/(g·K) - 1 cal = 4 × 107 erg - Aceleração da gravidade: g = 10,0 m/s² 4 A base horizontal de um prisma de vidro encontra-se em contato com a superfície da água de um recipiente. A figura mostra a seção reta triangular deste prisma, com dois de seus ângulos, α e β. Um raio de luz propaga-se no ar paralelamente à superfície da água e perpendicular ao eixo do prisma, nele incidindo do lado do ângulo β, cujo valor é tal que o raio sofre reflexão total na interface da superfície vidro-água. Determine o ângulo α tal que o raio emerja horizontalmente do prisma. O índice de refração da água é 4/3 e, o do vidro, 19 3. 5 Um banhista faz o lançamento horizontal de um objeto na velocidade igual a 5 3 m s em direção a uma piscina. Após tocar a superfície da água, o objeto submerge até o fundo da piscina em velocidade horizontal desprezível. Em seguida, o banhista observa esse objeto em um ângulo de 30º em relação ao horizonte. Admitindo-se que a altura de observação do banhista e do lançamento do objeto são iguais a 1,80 m em relação ao nível da água da piscina, a profundidade da piscina, em metros, Dados: - índice de refração do ar: =arn 1; - índice de refração da água: =água 5 3 n 6 a) 2 b) 1,6 c) 1,6 3 d) 2 3 e) 3 GABARITO EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO 01. SOMA:56 02. C 03. A 04. 2⋅1014Hz 05. 1,45 06. C 07. D 08. A 09. A 10. D EXERCÍCIOS DE TREINAMENTO 01. A 02. C 03. E 04. B 05. E 06. A 07. B 08. B 09. B 10. D 11. A 12. D 13. A 14. a) senβ=0,6 b) 0,875m 15. C 16. a) 1,9×108m/s b) γ=30º e α=46º 17. A 18. a) r x x 3 x tg tg 30 h h 3 h 3 x h . 3 θ = ⇒ ° = ⇒ = ⇒ = b) ( ) ( ) 2 2 02 0 0y 2 0 0 0 2 2 2 2 0 02 0 0 v 3a 2 d g 2 d g 4 d y y v t t d d 3 d 2 2 v 2 v 2 v 2 g d 3 12 g d 2 g d 3 d d v v v 23 1 d v g d 3 1 . = + + ⇒ = − ⇒ = − ⇒ + = − ⇒ = ⇒ = ⇒ − = + 19. a) ar iar i violeta r r violeta n sen n sen n sen sen n θ θ = θ ⇒ θ = b) ar i vermelho vermelho vermelha ar i vermelho vermelho 2 2 vermelho vermelho ar i vermelho ar i vermelho vermelho 3 vermelho vermelho ar i D n sen 1 n nd D t t Cv Cn senn 1 n n nD D t n sen n n senC C 1 n n nD t C n n sen θ − ∆ = = ⇒ ∆ = × ⇒ θ − ∆ = = ⇒ θ − θ − ∆ = − θ . 20. 2 2 2 2 b 1 g n 1 g b n 1 ω = − ∴ = ω − 21. SOMA:25 22. SOMA:28 23. B 24. E 25. D EXERCÍCIOS DE COMBATE 01. B 02. B 03. C 04. B 05. D 06. A 07. B 08. C 09. B 10. D 168 REFRAÇÃO DA LUZ PROMILITARES.COM.BR DESAFIO PRO 01. a) 30º b) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 10 v t cos t cos t 1010 36v t cos t cos t 36 5 v t m / s t 18cos 36 ω = ω ⋅ ω π ⋅ω = = πω π ∴ = π c) I=10-2 W/m² 02. t=0,2s 03. a) Portanto, para 0 ,α = ° há um raio refratado emergindo paralelamente aos incidentes. b) 0,5m c) 3 arcsen 30 3 ∴β = + ° (para 0 )θ > ° e 3 arcsen 30 3 β = − ° (para 0 )θ < ° 04. 30º 05. C ANOTAÇÕES
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