26/12/2012

Prática: Lei de Snell


Objetivos
Investigar o comportamento e característica da luz quando ela é desviada entre dois meios diferentes devido ao fenômeno de refração. Estas propriedades e características são igualmente válidas para todas as ondas eletromagnéticas e também para ondas sonoras.
Verificar, através do uso de simulação virtual, a validade da lei de Snell.
A Figura 1 mostra a área de trabalho da simulação Reflexão e Refração da luz. Clique sobre a imagem para acessar a simulação.


Curvando a Luz
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Figura 1 – Área de trabalho da simulação Reflexão e Refração da luz

Explore o comportamento da luz entre dois meios com diferentes índices de refração. Verifique como a alteração do ar para a água e para o vidro muda o ângulo de refração, mas não o ângulo de reflexão. Verifique o comportamento da luz através de prismas de diferentes geometrias. Faça um arco-íris!


Considerações teóricas
No vácuo, a luz se propaga com velocidade constante igual a c = 3 x 108 m/s. Em um meio material, a velocidade da luz v é reduzida de um fator n = c/v. Nesse meio, outras propriedades da luz, como a freqüência de oscilação, também são alteradas.

Reflexão

Quando uma onda atinge uma interface entre dois meios diferentes, três eventos diferentes podem ocorrer. A onda pode ser:
  • Refletida - onda refletida pela interface
  • Transmitida - onda transmitida de um meio para outro
  • Absorvida - energia da onda é transferida para o meio sobre o qual ela incide.
Nesta atividade, usaremos apenas materiais que não absorvem luz, ou seja, a luz incidente é refletida e/ou transmitida.

Reflexão total
Quando a superfície é espelhar, a luz incidente é totalmente refletida e o ângulo de incidência e de reflexão (Figura 2) são iguais.




Figura 2 – Reflexão da luz

Refração
O índice de refração (n) indica a quantidade que a velocidade da luz diminui em um meio ao passar do vácuo (ou ar) para esse meio, n = c/v, onde c é a velocidade da luz e v é a velocidade da luz no meio com índice de refração n.
No vácuo, a velocidade da luz é c = 3 x 108 m/s.
A quantidade de luz que é desviada ao atravessar dois meios com diferentes índices de refração (n1 e n2) é dada pela lei de Snell, ou lei da refração, senq1´ n1 = senq2 ´ n2.
A luz dobra na direção da normal à superfície quando ela entra num meio com maior índice de refração (material mais lento para a luz), como mostra a Figura 3.



Figura 3 - Raios incidente e refratado entre dois meios

Atividades propostas:

1 Defina ângulo de incidência e de reflexão da luz sobre uma superfície refletora. Qual o ângulo de incidência e de reflexão na Figura 4 abaixo?


Figura 4 – Raios de luz incidente e refletido sobre um espelho.

Ângulo crítico
Quando um raio de luz passa de um meio n1 > n2, existe um ângulo de incidência crítico (qc), acima do qual a luz é refratada é razante (q2 = 90º), ou seja a luz é totalmente refletida. Determine qc da água/ar e outros pares de compostos disponíveis na simulação.

Vídeo: Lei de Snell



Prática virtual:
Nesta prática, ao acessar a simulação, clique sobre “More Tools” na Figura 4 abaixo.


Figura 4 – Área de trabalho da simulação após clicar em “More Tools”

Responda às questões com base nos experimento virtual. Todas as suas respostas devem ser dadas com o suporte da simulação. Deixe isso bem claro nas suas respostas.
Ao realizar a prática, use as ferramentas que achar conveniente, disponíveis na caixa de ferramentas (“Tool box”).
  1. Verifique, usando diferentes pares de materiais, que a luz incidente não é absorvida pelo meio.
  2. Verifique, usando a simulação, a validade da relação n = c/v, medindo a velocidade da luz no meio e obtendo o índice de refração do meio. Realize testes para diferentes meios materiais, como água, vidro e meios “misteriosos” 1 e 2, sugeridos na simulação.
  3. Após obter os índices de refração dos meios misteriosos, pesquise na Internet quais materiais correspondem esses meios misteriosos.
  4. O que acontece com a velocidade da luz quando ela passa do ar para a água?
  5. Para um dado ângulo de incidência, o ângulo de reflexão varia com o comprimento de onda da luz? Mostre alguns valores testados.
  6. O que acontece com o comprimento de onda da luz quando vai do ar para a água?
Links:
1.     Lei de Snell
2.     Refração da luz