INTENSIVÃO ENEM 2016 Professora Deise Lima

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1 INTENSIVÃO ENEM 2016 Professora Deise Lima

2 Olha a Óptica no Enem!!!! É verdade!!! Óptica é sempre um dos assuntos bem solicitados pelo ENEM perdendo apenas para Energia (envolvendo Mecânica e Eletricidade) e ondulatória. Em física a óptica geométrica é responsável por analisar todos os fenômenos luminosos sob o ponto de vista geométrico, espelhos, lentes e os diversos tipos de instrumentos ópticos. Enquanto a óptica fisiológica estuda o olho humano, suas diversas anomalias e como corrigi-las. Uma sugestão que deixo para você estar afiado é sobre Refração, pois é com certeza um dos assuntos da Óptica que estão mais ligados ao nosso cotidiano e por isso pode vir a se tornar uma ótima opção para o ENEM. Para dar um up nos seus estudos o objetivo aqui é expor e discutir sobre Refração Luminosa explicando suas formas através de exemplos e fórmulas. Vamos nessa!!!

3 Mas antes de começarmos vamos viajar um pouco nas ondas eletromagnéticas. ONDAS ELETROMAGNÉTICAS As ondas podem ser classificadas em dois grupos de acordo com sua própria natureza. Existem as mecânicas, que se propagam em meios materiais. E também existem as eletromagnéticas, que são geradas pela excitação do campo eletromagnético e não precisam de um meio material pra se propagar. As ondas, independentemente de serem mecânicas ou eletromagnéticas, têm características comuns, entre elas comprimento de onda, amplitude e frequência. A relação da frequência com o comprimento de onda eletromagnética As ondas eletromagnéticas são ondas transversais formadas pela combinação dos campos magnético e elétrico que se propagam no espaço perpendicularmente um em relação ao outro.

4 São ondas eletromagnéticas as ondas de rádio, micro-ondas, infravermelho, ultra violeta, raios X, raios gama e a luz visível ao olho humano. Estas ondas não precisam de um meio de propagação, podendo viajar até no vácuo. Todas as ondas possuem grandezas físicas que são: Frequência É o número de oscilações da onda por um certo período de tempo, representada pela letra f. A unidade derivada do SI para frequência é o hertz (Hz), que é a expressão de oscilações por segundo. Período: É o tempo necessário para a fonte produzir uma onda completa. No SI é representado pela letra T e é medido em segundos. É possível relacionar a frequência e o período de uma onda, a equação é f = 1/T ou T = 1/f. Comprimento de onda: É o tamanho de uma onda, que pode ser medida de crista a crista, do início ao final de um período ou de vale a vale. É representada no SI pela letra grega lambda (λ). Velocidade: Todas as ondas possuem uma velocidade, que sempre é determinada pela distância percorrida sobre o tempo gasto. No vácuo, a velocidade de uma onda eletromagnética é a mesma para todas as frequências, sendo ,458 km/s, ou seja, é a velocidade da luz, chamada de constante c ( km/s). Amplitude: É a altura da onda, é a distância entre o eixo da onda até a crista. Quanto maior for a amplitude, maior será a quantidade de energia transportada.

5 Os diversos tipos de ondas eletromagnéticas formam uma faixa de frequências com os respectivos comprimentos de ondas, que caracterizam o espectro eletromagnético. A figura abaixo mostra o espectro eletromagnético e os sentidos inversos do aumento na frequência e do aumento no comprimento de onda.

6 Figura 4: Espectro Eletromagnético.

7 Qual a cor da substância que deu origem ao espectro da Figura 1? a) Azul. b) Verde. c) Violeta. d) Laranja. e) Vermelho. RESOLUÇÃO: Essa questão pode ser respondida apenas com a interpretação do texto e das representações gráficas do enunciado. Observe o seguinte trecho da questão: A Figura 1 mostra o espectro de absorção para uma substância e é possível observar que há um comprimento de onda em que a intensidade de absorção é máxima. Agora veja

8 a figura 1, o ponto de absorção máxima ocorre quando a curva atinge o ponto mais alto. Nesse ponto, o comprimento de onda é 500 nm. Agora observe o outro trecho do enunciado da questão: Um observador pode prever a cor dessa substância pelo uso da roda de cores (Figura 2): o comprimento de onda correspondente à cor do objeto é encontrado no lado oposto ao comprimento de onda da absorção máxima. Observando a roda de cores, podemos localizar o ponto em que o comprimento de onda é 500 nm (indicado com uma seta). No lado oposto desse ponto, encontramos a cor vermelha que corresponde à cor da substância que deu origem ao espectro. Do espectro de absorção, verificamos que o comprimento de onda da luz absorvida com mais intensidade é da ordem de 500 nm. Na roda de cores, este comprimento de onda está na faixa da radiação verde e a cor apresentada pela substância que deu origem ao espectro será vermelha. Assim, alternativa correta é a letra E Vermelho. ENEM 2012 Nossa pele possui células que reagem à incidência de luz ultravioleta e produzem uma substância chamada melanina, responsável pela pigmentação da pele. Pensando em se bronzear, uma garota vestiu um biquíni, acendeu a luz de seu quarto e deitou-se exatamente abaixo da lâmpada incandescente. Após várias horas ela percebeu que não conseguiu resultado algum. O bronzeamento não ocorreu porque a luz emitida pela lâmpada incandescente é de A) baixa intensidade. B) baixa frequência. C) um espectro contínuo. D) amplitude inadequada. E) curto comprimento de onda. RESOLUÇÃO: A ordem crescente das ondas luminosas de acordo com sua frequência no espectro eletromagnético é infravermelho, luz visível (luz da lâmpada incandescente, por exemplo) e ultravioleta. Observe a figura abaixo:

9 Assim sua frequência menor impossibilita o bronzeamento. Assim, alternativa correta é a letra B baixa frequência. A luz branca é composta por infinitas cores (frequências) e não existe o azul nem o vermelho, mas sim uma determinada faixa de frequências em que cada cor predomina. A dispersão luminosa começa quando a luz penetra no prisma e termina quando a luz sai dele, ou seja, ocorre no interior do prisma.

10 TEORIA DA REFRAÇÃO DA LUZ Quando um raio de luz tenta atravessar de um meio material A para outro meio material B, é bem provável que sofra reflexão e refração ao mesmo tempo. Assim parte da luz reflete, voltando para o meio original, e parte da luz refrata, atravessando para o outro meio.

11 Figura 5: reflexão e refração O raio de luz que reflete (r) forma o mesmo ângulo (θ) com a direção normal N feito entre o raio incidente (i) e a mesma direção normal (θ 1 = θ 2 ). E mantém a velocidade de propagação uma vez que volta para o meio de origem. Mas o raio de luz que refrata costuma mudar de velocidade. É que cada meio, mesmo transparente, oferece certa dificuldade'' à propagação da luz. Em geral, meios mais densos dificultam a passagem da luz. Essa dificuldade'' à propagação luminosa é chamada em Física de refringência do meio e é medida pelo índice de refração absoluto do meio n definido por: Onde c = km/s (aproximadamente) é a velocidade da luz no vácuo e v é a velocidade da luz no meio cuja refringência estamos quantificando.

12 Agora se o raio de luz estiver se propagando numa direção perpendicular (ou normal) à superfície de separação dos meios, junto com a mudança de velocidade, sofrerá também desvio angular, ou seja, mudança na direção de propagação. A segunda lei da refração, também conhecida como Lei de Snell-Descartes, nos garante que o raio de luz pode tanto se aproximar da direção normal (θ 1 < θ 1 ) quanto dela se afastar (θ 1 > θ 1 ). Tudo vai depender dos dois meios materiais envolvidos na refração e seus respectivos índices de refração. Figura 6a: n A < n B Figura 6b: n A > n B

13 REFLEXÃO TOTAL ÂNGULO LIMITE (L) Se o raio de luz estiver indo do meio mais refringente para o menos refringente, situação em que a sua velocidade aumenta na refração e o raio refratado tende a se afastar cada vez mais da normal, poderá chegar a um momento em que a parcela refratada saia rasante ( lambendo''), a superfície de separação dos dois meios. Figura 7. Aumentando θ 1, o raio refratado se afasta cada vez mais da normal até que sai rasante quando θ 1 = L.

14 Figura 8: Para θ 1 > L a refração desaparece''. Ocorre Reflexão Total. Aplicando a Lei de Snell-Descartes na figura 6 quando teremos que: A reflexão total da Luz e as Fibras ópticas Usadas como meio de transmissão de ondas eletromagnéticas (como a luz). São feitas de plástico ou de vidro e tem diâmetros variáveis (mais finos que um fio de cabelo até vários milímetros). Em relação aos cabos metálicos de cobre tem a vantagem de serem imunes às interferências eletromagnéticas além de não serem afetados com problemas decorrentes da eletricidade. No princípio de funcionamento das fibras ópticas tomos que, o raio de luz refletindo no seu núcleo, faz com que ele fique confinado, sendo canalizado'' de uma ponta até a outra da fibra. Veja a figura abaixo:

15 Figura 9: princípio de funcionamento das fibras ópticas A luz se propaga no interior do núcleo num caminho totalmente espelhado devido ao fenômeno da reflexão total que ocorrerá no interior do núcleo desde que o índice de refração do núcleo seja maior que o índice de refração da casca e que o ângulo de incidência em relação à normal ao incidir na casca seja maior que o ângulo limite L. E se tivéssemos um material com índice de refração variável continuamente? Imagine que temos um meio material com índice de refração variável continuamente, decrescendo gradativamente. Na prática é como se tivéssemos muitas camadas de materiais de diferentes índices de refração. Um raio de luz, nesse caso, sofrerá sucessivas refrações, afastando-se da normal em cada uma delas, até que em certo momento atingirá o ângulo limite L. Daí por diante, sofrerá Reflexão Total, ou seja, não refrata mais. Podemos ilustrar essa ideia, fundamental para entendermos as miragens, na figura a seguir onde, para simplificar, colocamos apenas 5 camadas de materiais transparentes justapostos com índice de refração absoluto n crescente da camada 5 para a camada 1. Mas podemos ter muito mais camadas. De fato, se o índice de refração variar continuamente, é como se tivéssemos infinitas camadas.

16 Figura 10: Reflexão Total. Observações: I) Na imagem acima, por simplificação, foi desenhado apenas os raios refratados em cada etapa. São esses raios refratados que tem-se que destacar nesse ponto para o raciocínio que irá ser explanado. Mas lembre-se de que reflexão e refração são simultâneas abaixo do ângulo limite (θ < L). Os raios refletidos, em cada camada, foram propositalmente omitidos. II) É muito importante notar que, a cada mudança de meio (camada), o raio de luz refratado se afasta gradativamente da normal. Dessa forma, quando atinge a próxima superfície de separação com a outra camada, tem ângulo de incidência θ maior e, portanto, mais perto do ângulo limite L. Logo, a cada refração o raio vai incidindo na próxima camada com ângulo de incidência θ cada vez mais perto do limite L. E, assim que o raio incidente tiver inclinação que supere o ângulo limite L, haverá apenas reflexão, ou seja, Reflexão Total. O raio, que já vinha se curvando, não segue adiante. Ele volta refletido, integralmente. III) Com cinco camadas notamos desvios discretos. Mas, imagine como seria se o índice de refração variasse continuamente. Como foi colocado acima, seria como existisse infinitas camadas. Nesse caso, o raio de luz faria uma curva suave, sem os sobressaltos ao passar de uma camada para outra como mostrado na ilustração acima. E é isso mesmo que você está imaginando: o índice de refração variável continuamente curva'' suavemente o raio de luz!

17 A luz é uma onda eletromagnética e suas propriedades decorrem deste fato. Porém existem outros tipos de ondas eletromagnéticas que também possuem as mesmas propriedades da luz como, por exemplo, as ondas de rádio e a radiação infravermelha (ou luz infravermelha) que é responsável pela sensação de calor que sentimos quando estamos sob o Sol. A reflexão total é muito usada na prática, para substituir os espelhos por meios transparentes (vidros ou cristais de reflexão total) e nos instrumentos óticos. ENEM 2014: Uma proposta de dispositivo capaz de indicar a qualidade da gasolina vendida em postos e, consequentemente, evitar fraudes, poderia utilizar o conceito de refração luminosa. Nesse sentido, a gasolina não adulterada, na temperatura ambiente, apresenta razão entre os senos dos raios incidente e refratado igual a 1,4. Desse modo, fazendo incidir o feixe de luz proveniente do ar com um ângulo fixo e maior que zero, qualquer modificação no ângulo do feixe refratado indicará adulteração no combustível. Em uma fiscalização rotineira, o teste apresentou o valor de 1,9. Qual foi o comportamento do raio refratado? a) Mudou de sentido. b) Sofreu reflexão total. c) Atingiu o valor do ângulo limite. d) Direcionou-se para a superfície de separação.

18 e) Aproximou-se da normal à superfície de separação. RESOLUÇÃO: Lembrando da Lei de Snell:, temos que: Se a razão aumentou é porque aumentou o índice de refração do líquido, diminuindo o seno do ângulo de refração, fazendo com que o raio refratado se aproximasse da normal. A questão explora a refração e o uso de sua lei (os produtos do índice de refração com o seno do ângulo, em relação à normal, mantem-se. Como a razão entre o raio incidente e o raio refratado é maior que 1, ao sofrer refração, o raio de luz se aproximou da normal (lembre-se de que, para ângulos entre 0 e 90, quando menor o ângulo, menor o seu seno. Na fiscalização, esta razão ficou ainda maior o que significa que o ângulo de refração diminui, ficando ainda mais próximo à normal. Gabarito Letra e) Aproximou-se da normal à superfície de separação. ENEM 2015 Será que uma miragem ajudou a afundar o Titanic? O fenômeno ótico conhecido como Fata Morgana pode fazer com que uma falsa parede de água apareça sobre o horizonte molhado. Quando as condições são favoráveis, a luz refletida pela água fria pode ser desviada por uma camada incomum de ar quente acima, chegando até o observador, vinda de muitos ângulos diferentes. De acordo com estudos de pesquisadores da Universidade de San Diego, uma Fata Morgana pode ter obscurecido os icebergs da visão da tripulação que estava a bordo do Titanic. Dessa forma, a certa distância, o horizonte verdadeiro fica encoberto por uma névoa escurecida, que se parece muito com águas calmas no escuro. Disponível em: Acesso em: 6 set (adaptado). O fenômeno ótico que, segundo os pesquisadores, provoca a Fata Morgana é a: a) ressonância. b) refração. c) difração. d) reflexão. e) difusão.

19 RESOLUÇÃO: O fenômeno citado ocorre depois que a luz sofre sucessivas refrações com subsequente reflexão total. No esquema abaixo, representamos uma situação análoga à proposta. T = temperatura (aumenta com a altitude) n = índice absoluto de refração (diminui com a altitude) Na ocorrência da Fata Morgana os fenômenos óticos envolvidos são a refração da luz na atmosfera e a reflexão. Não há como priorizar a importância de um deles, de modo que as opções d e b são possíveis. A luz refletida pela água fria sofre refração ao atravessar uma camada de ar quente. A refração é sempre acompanhada de reflexão. Esta pode ou não ser total. A falsa parede de água que aparece no horizonte molhado, obscurecendo os icebergs da visão da tripulação que estava a bordo do Titanic, é o resultado da refração e posterior reflexão da luz. O principal fenômeno do qual resulta a reflexão é a refração da luz. Gabarito Letra e) Refração. Particularmente essa questão foi alvo de discussão, pois em toda miragem acontecem sucessivas refrações até que o raio de luz sofra a Reflexão Total responsável pela formação da imagem revertida do objeto. A Reflexão Total é que, de fato, ilude'' o cérebro e dá a sensação de uma imagem revertida. Neste caso o ENEM poderia ter colocado uma alternativa que contemplasse os dois fenômenos, refração e reflexão. Pois, os dois são importantes na formação da miragem. Concorda?

20 Persistir sempre! Desistir Jamais! Recadinho do Newton CUIDADO COM AS PEGADINHAS DO ENEM!!! ATÉ A PRÓXIMA JOVENS!!!!