Aprendendo refração, reflexão e fibra óptica!

Olá querido estudante nós vamos nesse encontro falar a respeito da refração da reflexão e da fibra óptica o que que esses assuntos tem todos a ver um com o outro para a gente começar a gente vai falar primeiramente a respeito da refração e para tratar da refração eu vou convidar aqui um rapaz chamado fermar ele elaborou o princípio que acaba por explicar como é que a luz se propaga entre dois pontos de um ponto A até um ponto b mesmo que ele quer essa luz encontra em algum obstáculo vamos ver como é que é isso

o princípio de enfermagem diz o seguinte para gente que quando a luz vai se propagar entre dois pontos haja um ponto A até um ponto b por exemplo a trajetória que ela faz é sempre aquela trajetória que vai implicar o menor intervalo de tempo possível é por esse motivo que um meio homogêneo e transparente isotrópico nome bonito esse né um meio desses é o ar por exemplo pode ser tratado como um meio desses a luz se propaga em linha reta porque para a luz no ar que nas proximidades da superfície da Terra para ela ir

de um ponto A até um ponto b o menor tempo que ela iria gastar seria numa linha reta Então o intervalo de tempo que ela gasta é o menor se ela fosse fazer qualquer outra trajetória o tempo gasto seria o maior você Fala Douglas isso é muito simples isso qualquer um pode saber e até deve saber mas o grande problema acontece quando a luz muda de meio quando a luz muda de meio ela muda de velocidade de propagação tanto é que quando você vai falar sobre a luz você fala qual é a velocidade da luz

no vácuo Qual é a velocidade da luz na água qual é a velocidade da luz no vidro em cada meio desses você vai ter uma velocidade diferente para a luz e esta velocidade tem a ver com uma propriedade do Meio chamada índice de refração absoluto quanto maior for o índice de refração absoluto de um meio menor vai ser a velocidade com que a luz se propaga ali nós dizemos que a velocidade de propagação da luz é inversamente proporcional ao índice de refração daquele meio então sabendo o índice de refração do meio a gente consegue calcular

obter a velocidade da luz e essas duas coisas são inversamente proporcionais Professor Como assim no caso aqui a fórmula para definição da velocidade da luz num determinado meio vai ser essa constante ser dividido pela velocidade da luz no meio essa constante c é uma velha conhecida sua ela vale três vezes 10 elevado a oitava metros por segundo também conhecida como velocidade da luz no vácuo então se você tiver no vácuo o índice de refração do Meio vale um se você tiver na água o índice refração da água vale 1,3 é maior por isso que na

água a luz é mais lenta se você for para o diamante o índice de refração do diamante é mais de dois né então isso quer dizer que no diamante a velocidade da luz é menos do que 1,5 vezes 10 a oitava Então olha só que interessante dependendo dessa propriedade do meio desse tal de infração nós vamos ter uma velocidade diferente bem então a gente vê experimentalmente que no vácuo é o lugar onde a luz vai ter a maior velocidade possível porque o vácuo é um meio que apresenta o menor índice de refração que pode existir

que neste caso valiam tudo bem bom nosso próximo passo seria estudar a mudança de meio que a luz pode sofrer quando está se propagando e quando ela muda de meio ela pode mudar de velocidade a refração representa uma mudança de meio ou de propriedades do Meio implicando uma mudança na velocidade de propagação da luz isso é a refração muitas pessoas confundem em repressão achando que a refração é O desvio que a luz sofre não a luz pode sofrer refração sem se desviar basta que ela incida perpendicularmente veja como seria isso veja que neste caso ao

passar do ar para o vidro a luz mudou de velocidade ela vinha com três vezes 10 oitava metros por segundo de velocidade aproximadamente passou para o vidro ela está com uma velocidade duas vezes 10 elevado a 8 Então houve uma mudança de velocidade mas porque a incidência foi perpendicular não houve mudança na direção de propagação não houve desvio houve refração mas não houve desvio houve refração mas não houve desvio porque refração não é desvio certo refração é isso daqui mudança de meio com mudança de velocidade O desvio vai acontecer caso a incidência não seja perpendicular

Mas acontece uma coisa que muitas pessoas esquecem de representar Você pode ter refração sim mas tem um fenômeno que é inevitável sempre que houver refração haverá também reflexão a gente não consegue impedir que ocorra reflexão da luz aqui neste nesta mudança de meio quando a luz encontra um obstáculo parte dela pode passar para este outro meio aqui para o vidro mas parte dela vai refletir é por isso que quando a gente usa óculos a luz atravessa os óculos atravessa sem o vidro ou Cristal dos óculos o material transparente de que ele é feito Mas por

outro lado ela parte dela reflete por isso que na hora que vamos tirar foto com Flash o quem usa óculos costuma tirar os óculos para poder fugir do Flash já que o flash pode deixar uma imagem bem desagradável tudo bem com essa história então o fenômeno da reflexão é inevitável sempre vai ter um pouquinho professor e o que vai me dizer o desvio quando é que desvia porque desvia e como desvia essa parte pode ser explicada pelo princípio de firmar imagine agora que você tenha um salva-vidas sentado numa cadeira uma piscina e um garoto se

afogando ali na piscina a pergunta que eu te faço é se esse salvar vida quiser salvar essa criança com a maior eficiência possível Ele deveria ser como a luz ele deveria entre os dois pontos percorrer a trajetória de menor tempo porque quanto mais rápido for o salvamento quanto menos tempo ele demorar mas as chances de essa criança sair com saúde da piscina agora a ideia mais legal de todas é a seguinte Qual deveria ser a trajetória para garantir que o tempo seria mínimo pensa Professor uma linha reta né então você que é um excelente salva-vidas

em linha reta correndo e nadando para salvar a criança não é essa ideia que você teve Pois é se você fizer isso você acabou de matar a criança fala mas por que Douglas não é a trajetória de menor tempo não é a trajetória mais curta nem sempre por que que eu tô te dizendo isso porque quando ele chega até a água ele vai perder velocidade vamos ver a vista superior disso aí por melhor que seja o salva-vidas quando ele tá na água ele não tem a mesma velocidade do que quando ele está no cimento né

ou na cerâmica no solo ele não vai ser tão rápido na água isso quer dizer que se você supôs que o menor tempo seria na menor distância Você se enganou por um motivo muito simples Se você deixar a mesma distância para ser percorrida no cimento e na água muita distância na água Vou salvar vidas vai perder tempo demais porque ele é lento na água Professor Então como é que deveria ser deveria ser uma eu aumento a distância bastante o máximo que eu puder aqui na areia e vou com uma distância mínima que com 90 graus

também não se acredita que nesse caso também vai demorar muito se você for perguntar para um professor de matemática que é o responsável por chegar a essa conclusão o menor intervalo de tempo seria atingido se a gente fizesse uma trajetória intermediária que não chega nem a uma nem a outra situação esta daqui seria a trajetória de menor tempo porque assim também não aumenta muito a distância total e também não deixa muita distância para o salva-vidas nadar e chegar até o garoto então existe uma situação intermediária ideal que a matemática é capaz de nos demonstrar eu

vou apagar aqui então toda essa explicação a gente já sabe que agora é uma trajetória intermediária a matemática o cálculo vai ajudar a fazer isso mas eu vou trazer direto a solução para você agora vamos deixar o salva-vidas para lá e vamos pensar na luz a luz se vai de um ponto A até um ponto b vai segundo a trajetória de menor tempo vamos supor que este meio um por exemplo seja o ar que é um lugar onde ela é muito veloz e o Meio Dois seja o vidro que é um lugar onde a luz

é mais lenta para que a luz faça esse trajeto no menor intervalo de tempo possível o ideal é que ela guarde uma distância maior no lugar onde ela é mais veloz deixando uma distância menor no lugar onde ela é lenta para não perder muito tempo neste local então a trajetória que a luz vai vai fazer vai ser uma trajetória parecida com esta neste caso a trajetória da Luz vai sofrer um desvio Olha que bacana agora vem aquela história mas como é que eu vou matematizar isto usaram a matemática para deixar isso daqui mais interessante a

gente vai traçar aquela famosa reta normal pronto Então essa daqui é a chamada reta normal perpendicular a ambas a superfícies o ângulo que nós chamamos de incidência é o ângulo formato formado entre o raio incidente e a reta normal vou chamar isto de teta um no meio um quando ele vem para o meio dois o ângulo está menor tá anotando Por que será que este ângulo está diferente em especial está menor do que o tetão é por causa da velocidade a gente tem aqui a velocidade de propagação ver um maior e quando ele passa para

este outro meio você vai ter uma velocidade de propagação V2 menor sempre que a Velocidade diminui este ângulo vai diminuir para garantir uma distânciazinha menor ideal a prova matemática disso você encontra em livros de ensino superior e até livros de cálculo de matemática mesmo é esse é um problema é bem interessante de ser resolvido na matemática agora lembra que eu havia comentado que sempre que a refração é inevitável o fenômeno da reflexão em cima disso eu vou desenhar aqui também o tal do raio refletido isso é um fenômeno conhecido por nós como reflexão parcial da

luz e a lei da reflexão diz que o ângulo de incidência e o ângulo de reflexão vão ter o mesmo valor agora vem aquela pergunta Professor mas eu quero é aqui ó a relação entre o teta um e o teta 2 é aí que vai entrar a lei de snell ou Lei de René descarte né os dois fizeram a mesma lei em tempos e lugares diferentes então a lei acabou ficando para os dois mas é mais comum se falarmos não então nós podemos dizer que o seno de teta um está para o seno de teta

2 assim como v1 está para V2 ou seja os senos dos ângulos são proporcionais as velocidades envolvidas e aqui fica legal é por conta do seguinte você fala Professor eu nunca tinha visto a lei de snel com as velocidades eu gosto muito mais de usar a velocidade Eu gosto muito de ver que quando a Velocidade diminui o ângulo diminui mas você deve se lembrar aqui do comecinho que eu havia falado para você que a velocidade que a luz tem no meio é inversamente proporcional a uma propriedade do Meio chamada índice de refração como é inversamente

proporcional ao invés de colocarmos um dois um dois nós vamos colocar aqui para os índices de fração 2 e 1 a gente diz que eles são inversamente proporcionais esta equação que você acaba de ver aqui é a chamada lei de snell uma outra consequência que eu acabei deixando um pouco para lá foi o fato de que tudo isso aqui tá num plano né o raio incidente e o refletido e o refratado fazem parte de um único plano não tem perigo de o refletir do vir para cá ou de o refratado também vê são todos coplanares

essa seria inclusive o primeiro a primeira lei da refração todos os raios incidente reta normal é refratado e refletido devem estar contidos no mesmo plano isso está também de acordo com o princípio de firmar mas é mais filosofia a gente consegue colocar na nossa cabeça que isso tudo aqui é fato é realidade professor Douglas e agora qual que é o nosso próximo passo para entender os problemas a gente precisa saber que doar para água o ângulo sempre diminui e da água para o ar por exemplo ou aqui no caso do vidro para o ar o

ângulo sempre vai aumentar a não ser que seja uma incidência perpendicular a incidência perpendicular um ângulo não varia ele entra com 90 sai com 90 ou na verdade incide com zero e refrata com zero a gente não vai ter desvios desvios a gente só vai ter se a incidência não for normal se o ângulo de incidência não for zero cuidado com essa confusão entre ângulo de incidência e ângulo com a superfície bem próximo passo e cadê a tal da fibra óptica onde é que a fibra óptica entra nessa história Me acompanhe aqui vem um problema

dos livros didáticos de física eles não explicam reflexão total direito cuidado a nossa ideia básica vai ser quando não há refração ocorre apenas reflexão a gente diz que neste caso a reflexão é total os livros não costumam representar a reflexão parcial da Luz professor não estou entendendo de onde é que veio este problema vamos exemplificar inicialmente Imagine que nós tenhamos aqui a água nessa região de baixo e o ar na região de cima quando você tem um raio luminoso vindo da água para o ar ele passa se sentir perpendicular ele passa reto sem sofrer desvio

Mas uma coisa você precisa ter em mente vai existir sim a reflexão então parte da luz é refratada parte da luz é refletida a gente precisa representar isso se não dá problema professor que mais que eu preciso saber a respeito disso e se por um acaso eu fizer o ângulo de incidência não ser assim se aumentar um pouco ângulo de incidência vamos traçar aqui a reta normal para representar aqui no nosso problema e aumentar o ângulo de incidência vamos fazer incidir com um ângulo maior da água para o ar o que que acontece com a

velocidade da luz quando se passa da água para o ar quando a luz passa para o ar a velocidade da Luz Aumenta Então o que vai acontecer com o ângulo aumentar Verifique que este ângulo agora está maior do que o de baixo porque a velocidade está aumentando mas você não deve se esquecer do fato de que se existe refração existe também a reflexão A reflexão é um fenômeno inevitável e o ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência Então nós vamos ter incidência refração e reflexão as três coisas acontecendo eu vou aumentar mais ainda

o ângulo de incidência isso vai provocar um aumento também no ângulo de refração eu posso aumentar tanto o ângulo de incidência até que o raio que refrata ele sai com maior valor possível então eu vou aumentando o ângulo de incidência o ângulo de refração vai aumentando também e nesse caso o nosso ângulo de refração ele chega ao valor máximo antes que o ângulo de incidência possa chegar a gente diz que quando um dos ângulos atinge o valor de 90 graus o outro atingiu o valor limite a gente diz que este ângulo de incidência atingiu o

valor limite a Rigor arregou não existe uma refração a 90 graus isso com entrar em conflito com o princípio da reversibilidade dos raios luminosos Mas vamos ignorar um pouco esse fato Vamos admitir que tá tendendo a 90 graus ali se por um acaso aumentar ainda mais o ângulo de incidência aí não tem mais como o ângulo de refração aumentar mas antes disso volta aqui lembra que sempre que existe refração existe reflexão tá aqui ó o ângulo refletido o raio refletido por tanto sempre vai existir Mas vai chegar uma hora em que se eu fizer um

ângulo de incidência ficar maior do que aquele ângulo limite fazendo este ângulo então maior do que o limite não acontecerá a refração porque eu não consigo mais aumentar o ângulo de refração depois dos 90 graus então só vou poder agora não ter o raio refratado o raio refratado não vai existir não há refração quando não há refração vai acontecer apenas A reflexão então a reflexão ela é total Então esta é a situação em que nós podemos escrever que a reflexão Total mas para nós sabermos quando é que acontece essa reflexão Total seria interessante conhecer o

ângulo limite o ângulo limite seria naquelas situações hipotética em que o raio refratado sairia com 90 graus aí eu vou pedir para você reescrever esta equação aqui do da lei de snell fazendo produto dos meios pelos extremos N1 vezes o seno de teta um é igual a n2 vezes o seno de teta 2 você já deve ter utilizado desta maneira a lei diz não mas agora nós vamos diferenciar a origem nós não vamos chamar de N1 e n2 nós vamos chamar de meio de origem da luz e o meio do possível destino da luz então

há dois meios aqui envolvidos no meio de origem e o meio de destino o meio de origem é que nesse caso é água e o destino seria o ar se nós aplicarmos a lei de Neo encher fração lá na origem vezes o seno do L Seno do ângulo limite vai ser igual ao índice de refração do destino multiplicado pelo seno de 90 graus mas O legal é que o seno de 90 graus é igual a um por esse motivo nós podemos escrever que o seno do ângulo limite vai ser o índice de refração do destino

da Luz dividido pelo índice de refração da origem dela escrever dessa maneira é muito melhor do que você escrever como vem nos livros didáticos ele fala índice de refração menor dividido por índice de refração maior Por que que ele fala isso ora porque o seno de um ângulo é sempre menor do que um então não posso ter o numerador maior né eu não posso ter o índice de refração do destino maior então ele coloca n menor dividido por n e maior Vamos colocar assim mas isso já te traz uma nova informação para poder existir um

ângulo limite para poder haver a possibilidade de reflexão Total o índice de refração do destino deve ser maior do que o dar origem Como assim o índice de refração do ar para você ter uma ideia tão índice de refração do ar é aproximadamente igual só um o índice de refração da água Vamos colocar aqui ó o n da água é igual a 1,3 aproximadamente então só pode haver reflexão Total se a origem for a água e o destino for o ar se a origem for Uai o destino for água não tem perigo de ter reflexão

Total tá dando para acompanhar e baseado neste fenômeno se inventou a tal da fibra óptica que é uma maneira de você lançar luz através de um cabo e essa Luzia refletindo nas laterais do cabo usando este princípio da reflexão Total vamos ver como é que isso acontece no caso da fibra óptica é um raio luminoso vai adentrar a nossa fibra com determinado ângulo geralmente um ângulo pequeno quando o ângulo aqui de incidência é pequeno o ângulo de refração é ainda menor E aí vai acontecer um fenômeno interessante quanto menor este ângulo maior este daqui ó

este ângulo com que vai incidir na lateral da fibra e como esse ângulo é muito grande este ângulo provavelmente terá um valor maior do que o ângulo limite entre o material do meio aqui e o material envolvente existe uma capa de um material também transparente que pode envolver a sua fibra óptica o índice de refração desta capa deve ser menor do que o índice de refração da fibra porque porque assim pode acontecer a tal da reflexão total sendo então o índice de refração dessa capa menor do que o da fibra de preferência Seria legal se

essa capa fosse o próprio ar né Se fosse o próprio ar essa capa seria o menor índice de refração que a gente tem aí a gente pode ter a reflexão Total acontecendo de tal maneira que nós não vemos luz saindo pela lateral da fibra e vamos ver a luz saindo apenas aqui pelo extremo da fibra que é onde eu quero que chegue a informação então a fibra óptica vai fazer uso disso de inúmeras reflexões internas totais para que lá no final ocorra a refração mas Douglas e se aqui não for reflexão Total não tem problema

porque mesmo que a reflexão não seja Total ela vai ser parcial e havendo alguma reflexão haverá transporte da informação agora vai haver perda da intensidade do sinal por por algum motivo é as fibras ópticas de instantes né de tempos em tempos de a cada certa distância ela tem de ter um repetidor de sinal um reforçador do sinal Porque há também conversão da energia luminosa em energia térmica à medida que ela vai se propagando mas isso daí já são detalhes técnicos para você conhecer por enquanto estas informações são suficientes para que você consiga fazer um bom

vestibular uma boa prova do Enem aqui a gente termina esse assunto se você gostou se inscreve no nosso canal toda semana a gente tem um assunto novo para trazer para você se você curtiu essa aula deixa o seu joinha que a gente se encontra em uma outra oportunidade até mais