AL 3.1 Ondas: absorção, reflexão, refração e reflexão total

 

Objetivo geral: Investigar os fenómenos de absorção, reflexão, refração e reflexão total, determinar o índice de refração de um meio em relação ao ar e prever o ângulo crítico.

Introdução

Para atingir o objetivo geral proposto nesta atividade, o procedimento experimental que se sugere passa por:

• avaliar a capacidade refletora e a transparência de diversos materiais quando neles se faz incidir luz e a diminuição da intensidade do feixe ou a mudança da direção do feixe de Luz;

• medir ângulos de incidência e de reflexão, relacionando-os ;

• medir ângulos de incidência e de refração;

• construir o gráfico do seno do ângulo de refração em função do seno do ângulo de incidência, determinar a equação da reta de ajuste e, a partir do seu declive, calcular o índice de refração do meio em relação ao ar;

• prever qual o ângulo crítico de reflexão total entre o meio e o ar e verificar o fenómeno da reflexão total para ângulos de incidência superiores ao ângulo crítico, observando o que acontece à Luz enviada para o interior de uma fibra ótica;

• identificar a transparência e o elevado valor do índice de refração como propriedades da fibra ótica que guiam a Luz no seu interior.

 

 Metas transversais

Aprendizagem do tipo processual:

  • Identificar material e equipamento de laboratório e manuseá-lo corretamente, respeitando regras de segurança e instruções recebidas.
  • Adotar as medidas de proteção adequadas a operações laboratoriais, com base em informação de segurança e instruções recebidas.
  • Construir uma montagem laboratorial a partir de um esquema ou de uma descrição.
  • Executar corretamente técnicas laboratoriais.
  • Identificar aparelhos de medida, analógicos e digitais, o seu intervalo de funcionamento e a respetiva incerteza de leitura.
  • Efetuar medições utilizando material de laboratório analógico, digital ou de aquisição automática de dados.
  • Representar um conjunto de medidas experimentais em tabela, associando-lhes as respetivas incertezas de leitura dos aparelhos de medida utilizados.

 

Aprendizagem do tipo conceptual:

  • Identificar o objetivo de um trabalho prático.
  • Identificar o referencial teórico no qual se baseia o procedimento utilizado num trabalho prático, incluindo regras de segurança específicas.
  • Interpretar e seguir um protocolo.
  • Descrever  o procedimento que permite dar resposta ao objetivo de um trabalho prático.
  • Utilizar regras de contagem de algarismos significativos.
  • Indicar a medida de uma grandeza numa única medição direta, atendendo à incerteza experimental associada à leitura no aparelho de medida.
  • Construir gráficos a partir de listas de dados, utilizando papel ou suportes digitais.
  • Interpretar representações gráficas, estabelecendo relações entre as grandezas.
  • Aplicar conhecimentos de estatística no tratamento de dados experimentais em modelos lineares, identificando as grandezas físicas na equação da reta de regressão.
  • Determinar valores de grandezas, não obtidos experimentalmente, a partir da equação de uma reta de regressão.

 

Metas específicas

  • Avaliar a capacidade refletora e a transparência de diversos materiais quando neles se faz incidir luz e a diminuição da intensidade do feixe ou a mudança da direção do feixe de luz.
  • Medir ângulos de incidência e de reflexão, relacionando-os.
  • Medir ângulos de incidência e de refração.
  • Construir o gráfico do seno do ângulo de refração em função do seno do ângulo de incidência, determinar a equação da reta de ajuste e, a partir do seu declive, calcular o índice de refração do meio em relação ao ar.
  • Prever qual é o ângulo crítico de reflexão total entre o meio e o ar e verificar o fenómeno da reflexão total para ângulos de incidência superiores ao ângulo crítico, observando o que acontece à luz enviada para o interior de uma fibra ótica.

Identificar a transparência e o elevado valor do índice de refração como propriedades da fibra ótica que guiam a luz no seu interior.

 

Fundamentos teóricos da atividade

Quando uma onda, ao propagar-se, encontra uma superfície de separação de dois meios, parte da sua energia é refletida, parte é transmitida ou refratada e parte é absorvida, havendo, contudo, conservação de energia.

 

Reflexão

Se a superfície de separação entre os dois meios for plana (por exemplo, superfície de um metal) e polida (uma superfície regular), então a um feixe incidente de raios Luminosos paralelos corresponderá um feixe refletido de raios Luminosos igualmente paralelos. A reflexão neste caso será denominada regular. Se a superfície de separação apresentar rugosidades, a reflexão será difusa.

 

Leis da reflexão

• O ângulo de incidência, ɵi, ângulo que o raio incidente faz com a normal à superfície no ponto de incidência, é igual ao ângulo de reflexão, ɵr ângulo que o raio refletido faz com a normal à superfície no ponto de incidência.

• O raio incidente, o raio refletido e a normal à superfície no ponto de incidência estão no mesmo plano.

Refração

Quando a luz incide na superfície de separação de dois meios óticos transparentes, uma parte reflete-se e outra refrata-se. Ao refratar-se, a luz muda de direção, exceto quando incide perpendicularmente à referida superfície.

Leis da refração

• O ângulo de incidência, ɵ1, e o ângulo de refração, ɵ2, relacionam-se pela expressão: n1 sin ɵ1 = n2 sin ɵ2

• O raio incidente, o raio refratado e a normal à superfície no ponto de incidência estão no mesmo plano.

Quando a luz incide a partir do meio ótico de maior índice de refração e o ângulo de incidência, ɵi, é superior ao ângulo crítico, ɵr, deixa de haver refração - ocorre a reflexão total.

Questões pré-laboratoriais

1. Indique os fenómenos que conhece comuns aos vários tipos de ondas (mecânicas e eletromagnéticas).

2. Sabendo que o comprimento de onda de uma onda emitida por uma antena parabólica é de 2,8 cm, calcule a sua frequência. Localize a radiação no espetro eletromagnético .

3. Das seguintes proposições sobre o fenómeno da reflexão da luz indique, justificando, a incorreta .

(A) A reflexão ocorre quando a luz incide sobre uma superfície e retorna ao seu meio original.

(B) A reflexão difusa ocorre quando os raios luminosos incidentes são paralelos entre si.

(C) Na reflexão regular, os raios de luz provenientes de um feixe de raios paralelos propagam-se, após reflexão, de forma paralela uns aos outros.

(D) Quando a luz é refletida por uma superfície, o ângulo de reflexão é sempre igual ao ângulo de incidência da Luz.

4. Nas comunicações por telemóvel e via satélite são utilizadas micro-ondas de determinadas faixas de frequência. Em grandes cidades são construídas torres altas que suportam um conjunto de antenas parabólicas de modo a permitir a propagação ponto a ponto das micro-ondas acima do topo dos edifícios.

Justifique a seguinte afirmação verdadeira.

«Nas grandes cidades existem várias antenas parabólicas que estão colocadas em torres altas em relação ao solo.»

5. Quais as condições para que haja reflexão total na superfície de separação de dois meios transparentes?

 

Atividade laboratorial

Material e equipamento por grupo de trabalho

• Materiais diversos (água, vidro, glicerina, plástico, metal, acrílico, etc.)

• Gobelé

• Tina transparente

• Banco de ótica

Laser

• Disco de Hartl

• Espelho plano

• Prisma de vidro

• Modelo de fibra ótica

 

Procedimento experimental

1.ª parte - Estudo do comportamento da luz na presença de diversos materiais

• Construa, no seu caderno diário, uma tabela semelhante à que se apresenta na página seguinte (ver Registos efetuados).

• Faça incidir o feixe laser sobre a superfície da água contida num gobelé.

• Registe na tabela o comportamento da luz.

• Repita o procedimento anterior com os diferentes materiais.

 

2.ª parte - Leis da reflexão

• Construa, no seu caderno diário, uma tabela semelhante à que se apresenta (ver Registos efetuados).

• Coloque no centro do disco de Hartl, e alinhado com um dos eixos, um espelho plano.

• Faça incidir o feixe laser no centro do espelho.

• Meça o ângulo de incidência e de reflexão e registe na tabela.

• Repita o procedimento anterior para diferentes ângulos de incidência.

 

3.ª parte - Leis da refração

• Construa, no seu caderno diário, uma tabela semelhante à que se apresenta (ver Registos efetuados).

• Coloque no centro do disco de Hartl, e alinhado com um dos eixos, um prisma de vidro.

• Faça incidir o feixe laser numa das faces do prisma.

• Meça o ângulo de incidência e de refração e registe na tabela.

• Repita o procedimento anterior para, pelo menos, cinco valores de ângulos de incidência.

• Calcule o seno dos ângulos de incidência e refração e complete a tabela.

• Construa o gráfico do seno do ângulo de refração em função do seno do ângulo de incidência.

• Determine, a partir da equação da reta de regressão, o índice de refração relativo dos dois meios.

 

4.ª parte - Reflexão total

• Coloque no centro do disco de Hartl e alinhado com um dos eixos, um prisma de vidro.

• Preveja o valor do ângulo crítico de reflexão total entre o vidro e o ar.

• Faça incidir o feixe laser numa das faces do prisma, segundo um ângulo de incidência superior ao ângulo crítico, e verifique o fenómeno da reflexão total.

• Faça agora incidir o feixe laser para o interior de um modelo de fibra ótica.

• Observe o que acontece à luz enviada.

 

Antes de começar tenha em atenção que:

• Deve evitar olhar diretamente para o feixe laser.

• Deve registar a incerteza do aparelho de medida utilizado.

• Deve exprimir as medidas com o número correto de algarismos significativos .

• Deve assegurar-se que o raio luminoso incide sempre no mesmo ponto de incidência da superfície .

• Para o traçado do gráfico do seno do ângulo de refração em função do seno do ângulo de incidência deve recorrer à calculadora gráfica .

• Deve manipular com cuidado todo o equipamento .

• Deve cumprir as regras gerais de conduta no laboratório.

 

Registos efetuados

 

Registos:

 

Exploração dos resultados

• Construir o gráfico do seno do ângulo de refração em função do seno do ângulo de incidência.

• Determinar a equação da reta de ajuste.

• Calcular o índice de refração do vidro em relação ao ar.

• Prever qual o ângulo crítico de reflexão total entre o vidro e o ar.

• Verificar o fenómeno da reflexão total para ângulos de incidência superiores ao ângulo crítico no interior de uma fibra ótica.

• Identificar a transparência e o elevado valor do índice de refração como propriedades da fibra ótica que guiam a luz no seu interior.

 

Análise de resultados

Com o material e o equipamento sugeridos e uma utilização correta dos mesmos, é possível atingir as metas propostas na atividade.

  • Dos resultados conclui-se que há materiais que são transparentes e outros que são opacos à passagem de um feixe de luz. Quando sobre um meio transparente incide luz, parte da sua energia é refletida, parte é refratada e parte é absorvida, havendo, contudo, conservação de energia.
  • No caso em que a superfície de separação entre os dois meios é plana e polida (espelho), ocorre uma reflexão regular, na qual o plano de incidência coincide com o plano de reflexão. Para qualquer um dos ângulos de incidência analisados o respetivo ângulo de reflexão é igual.
  • O traçado da reta de regressão linear, com um coeficiente de correlação de 0,995, permite verificar que o seno do ângulo de refração é diretamente proporcional ao seno do ângulo de incidência. O valor do declive obtido, que representa o índice de refração do vidro em relação ao ar, é de 1,51. Comparando este valor com o valor tabelado, podemos escrever:

nvidro,ar = 1,51 ± 0,7%

  • Recorrendo a um modelo de fibra ótica, pedagogicamente mais interessante para análise com os alunos, é possível visualizar o percurso da luz no seu interior por sucessivas reflexões totais.

Nesta atividade, as possíveis causas de erro podem estar associadas ao fenómeno de absorção, que ocorre sempre que a luz incide sobre um material, levando a uma diminuição da intensidade luminosa do feixe refletido/refratado, o que por vezes dificulta a visualização do mesmo e a correta leitura dos diferentes ângulos.

 

 

Questões pós-laboratoriais

1. Quando uma onda incide na superfície de separação de dois meios e é refletida ...

(A) ... o comprimento de onda diminui;

(B) ... a velocidade não se mantém constante;

(C) ... a frequência aumenta;

(D) ... a frequência mantém-se constante.

Assinale a opção correta.

2. Quando um feixe de Luz monocromática sofre uma mudança de meio, passando do ar para a água, a grandeza que se mantém sempre constante é ...

(A) ... o comprimento de onda;

(B) ... a frequência;

(C) ... a velocidade de propagação;

(D) ... a direção de propagação.

3. Relacione os senos dos ângulos de incidência e de refração de uma onda monocromática com o comprimento de onda nos dois meios.

4. Explique a constituição de uma fibra ótica com base nas diferenças de índices de refração dos materiais que a constituem.

5. Considere um feixe de luz monocromática proveniente do vácuo incidindo normalmente sobre a superfície plana de um bloco de vidro de índice de refração absoluto 1,5. Parte da luz incidente é refletida, retornando para o vácuo, enquanto a outra parte é refratada, passando a propagar-se no vidro.

No diagrama abaixo, o ponto P caracteriza a luz incidente, cujo sentido de propagação foi adotado como positivo.

Dos pontos assinalados de X a W, os que caracterizam, respetivamente, a luz refletida e a luz refratada são:

(A) X e Z

(B) Y e Z

(C) X e W

(D) Y e W

    

 

Relatório

Deste relatório deve constar:

• o objetivo do trabalho;

• os fundamentos teóricos essenciais;

• o material utilizado;

• o procedimento experimental (mencionar apenas as fases mais importantes do trabalho);

• o esquema da montagem;

• as observações efetuadas;

• a tabela com os registos efetuados para o valor dos ângulos de incidência, reflexão e refração;

• a reta que melhor se ajusta aos dados experimentais;

• o cálculo do índice de refração do meio em relação ao ar;

• as possíveis causas de erros experimentais;

• a conclusão e a crítica dos resultados obtidos.

 

Atividade complementar

O fenómeno da reflexão total está patente no funcionamento de um dos suportes mais eficazes na transmissão de informação a longas distâncias, obviamente recorrendo à radiação eletromagnética, que é a fibra ótica, inventada pelo físico indiano Narinder Singh Kampany.

A fibra ótica é um filamento, de vidro ou de materiais poliméricos, com capacidade de transmitir radiação eletromagnética. O vidro é o mais utilizado porque absorve em menor escala a radiação eletromagnética.

A transmissão da luz pela fibra segue um mesmo princípio, independentemente do material usado: é lançado um feixe de luz numa extremidade da fibra, o qual percorre a fibra através de consecutivas reflexões .

Propõe-se que, recorrendo a materiais simples - uma garrafa de PVC, uma palhinha, água e um laser, se simule a propagação da luz no interior de uma fibra ótica.

Faça um furo na garrafa, de diâmetro igual ao da palhinha que vai usar; deve fazer o furo mais próximo da base do que do topo da garrafa.

Corte uma palhinha com 2/3 cm de comprimento e, usando cola à prova de água, fixe-a no orifício da garrafa.

Encha a garrafa com água e aponte o laser do outro lado da garrafa de modo que o feixe atravesse a garrafa e atinja o orifício do lado oposto.

A luz sofrerá múltiplas reflexões totais ao passar pelo fio de água, sendo este o mesmo princípio de funcionamento das fibras óticas.

 

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