UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Escola de Engenharia de Lorena EEL

Transcrição

1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Escola de Engenharia de Lorena EEL LOB FÍSICA IV Prof. Dr. Durval Rodrigues Junior Departamento de Engenharia de Materiais (DEMAR) Escola de Engenharia de Lorena (EEL) Universidade de São Paulo (USP) Polo Urbo-Industrial, Gleba AI-6 - Lorena, SP durval@demar.eel.usp.br Comunidade Alunos (Página dos professores) Rodovia Itajubá-Lorena, Km 74,5 - Caixa Postal 116 CEP Lorena - SP Fax (12) Tel. (Direto) (12) / USP Lorena Polo Urbo-Industrial Gleba AI-6 - Caixa Postal 116 CEP Lorena - SP Fax (12) Tel. (PABX) (12)

2 UNIDADE 2 - Reflexão e Refração

3 33-8 Reflexão e Refração Capítulo 33: Ondas Eletromagnéticas

4 Reflexão da Luz

5 Clique para acender a luz e começar a entender o fenômeno da reflexão

6 Aqui você pode ver a luz chegando na superfície refletora Clique novamente para ver o que acontece depois

7 Agora vamos escolher um raio de luz deste pincel Clique novamente

8 Ok, raio de luz escolhido!!! Agora não precisamos mais do pincel de luz. Clique novamente.

9 Ok, raio de luz escolhido!!! Agora não precisamos mais do pincel de luz. Clique novamente. Tudo o que estudarmos para este raio poderá ser usado para qualquer outro

10 Agora vamos colocar uma reta formando um ângulo de 90º com a superfície refletora, no ponto onde a luz encontra-se com ela. reta normal α β

11 A 1ª Lei da Reflexão diz que o ângulo α tem que ser igual ao ângulo β reta normal α ângulo de incidência β ângulo de reflexão α β

12 Princípio de Huygens Christiaan Huygens ( ), físico holandês, apresentou a primeira teoria ondulatória da luz em Teoria mais simples que a Teoria de Maxwell, permite a explicação das leis de reflexão e refração em termos de ondas e define índice de refração. Construtor de telescópios, em 1655 detectou a primeira lua de Saturno. Criador do primeiro relógio de pêndulo, patenteado em 1656 seguindo proposta de Galileu.

13 Interferência Teoria ondulatória de Huygens: utiliza uma construção geométrica que permite prever onde estará uma dada frente de onda em qualquer instante futuro se conhecermos sua posição atual. Essa construção se baseia no Princípio de Huygens.

14 Princípio de Huygens: Todos os pontos de uma frente de onda se comportam como fontes pontuais de ondas secundárias. Depois de um intervalo de tempo Δt a nova posição da frente de onda é dada por uma superfície tangente a essas ondas secundárias. A Teoria ondulatória da Luz foi feita pelo físico holandês Christian Huygens em Embora muito menos completa que a teoria eletromagnética de Maxwell, formulada mais tarde, a teoria de Huygens era matematicamente mais simples e permanece útil até hoje.

15 Ondas eletromagnéticas Reflexão e refração: Princípio de Huygens

16 Ondas eletromagnéticas Reflexão e refração: Princípio de Huygens Todos os pontos de uma frente de onda se comportam como fontes pontuais para ondas secundárias. Depois de um intervalo de tempo t, a nova posição da frente onda é dada por uma superfície tangente a estas ondas secundárias.

17 Ondas eletromagnéticas Reflexão e refração reflexão especular BD sin θi = = AD v1t AD AC sin θr = = AD v1t AD θ θ i = r θ i θ r

18 Ondas eletromagnéticas Reflexão e refração: reflexão especular x reflexão difusa

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21 Capítulo 33: Ondas Eletromagnéticas

22 Ondas eletromagnéticas Reflexão e refração Índice de refração n c v v 1 v 2

23 Lei da Reflexão: Lei de Snell: Reflexão: θ ' Refração: = θ 1 1 n sinθ = n sinθ

24 Ondas eletromagnéticas Reflexão e refração: Lei de Snell n i c v i senθ senθ BD i = = AD AE t = = AD v i t AD v t t AD v 1 θ i n = 1 sinθ1 n2 sin onde θ 1 = θ i θ 2 = θ t θ 2 θ t v 2

25 Ondas eletromagnéticas Reflexão e refração: Lei de Snell senθ n 1 2 = sen n 2 θ 1 n 1 < n 2 n 1 > n 2

26 Ondas eletromagnéticas Reflexão e refração: Lei de Snell senθ n 1 2 = sen n 2 θ 1 n 1 < n 2 n 1 > n 2

28 Dispersão Cromática:

29 33-8 Reflexão e Refração Dispersão Cromática: Capítulo 33: Ondas Eletromagnéticas O índice de refração da luz, em qualquer meio, exceto no vácuo, depende do comprimento de onda da luz. Uma vez definido o índice n, a luz de diferentes comprimentos de onda tem velocidades diferentes num certo meio. Além disso, ondas luminosas de comprimentos de onda diferentes são refratadas com ângulos diferentes ao atravessarem uma superfície. Assim, quando um feixe de luz, consistindo em componentes com diferentes comprimentos de onda, incide numa superfície de separação de dois meios, os componentes do feixe são separados por refração e se propagam em direções diferentes. Esse efeito é chamado de dispersão cromática, onde dispersão significa a separação dos comprimentos de onda, ou cores, e cromática significa a associação da cor ao seu comprimento de onda.

30 33-8 Reflexão e Refração Dispersão Cromática: Capítulo 33: Ondas Eletromagnéticas n 2azul > n 2vermelho

31 33-8 Reflexão e Refração Dispersão Cromática: Capítulo 33: Ondas Eletromagnéticas

32 33-8 Reflexão e Refração O Arco-íris: Capítulo 33: Ondas Eletromagnéticas

33 Ondas eletromagnéticas r n = r r r r E(, t) = E( k)sin( k ω t) k Luz branca se ω1 > ω2 n ( ω1) > n( ω2 ) Dispersão cromática ) n(ω Em geral,

34 Ondas eletromagnéticas Dispersão cromática ) n = n(ω Em geral, r r r r r E(, t) = E( k)sin( k ω t) k Luz branca se ω1 > ω2 n ( ω1) > n( ω2 )

35 Ondas eletromagnéticas Dispersão cromática: Formação do arco-íris ~ 42º

36 Capítulo 33: Ondas Eletromagnéticas Exemplo 33-3 (pág. 21): (a) Na Fig a um feixe de luz monocromática é refletido e refratado no ponto A da interface entre o material 1, cujo índice de refração é n 1 = 1,33, e o material 2, cujo índice de refração é n 2 = 1,77. O feixe incidente faz um ângulo de 50º com a interface. Qual é o ângulo de reflexão no ponto A? Qual é o ângulo de refração? Resposta (a): θ = 40 e θ = 28,88 ' o o 1 2

37 Capítulo 33: Ondas Eletromagnéticas Idéias chave: 1) O ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência. Os dois ângulos são medidos em relação à normal a superfície. 2) Quando a Luz atinge a interface entre os materiais com índices de refração diferentes, parte da luz pode ser refratada na interface de acordo com a Lei de Snell. n senθ = n senθ

38 Capítulo 33: Ondas Eletromagnéticas Cálculos: θ1 = θ1 = 40º θ θ = 1 = sen θ 2 sen n n 2 sen40º 1, 33.0,643 1, 77 = 28,88º 29º

39 Capítulo 33: Ondas Eletromagnéticas (b) A luz que penetrou no material 2 no ponto A chega ao ponto B da interface do material 2 com o material 3, que é o ar, como mostra a Fig b. A interface do material 2 com o material 3 é paralela à interface do material 1 com o material 2. No ponto B, parte da luz é refletida e parte é refratada. Qual é o ângulo de reflexão? Qual é o ângulo de refração? Resposta (b): θ = 28,88 e θ = 58, 75 ' o o 2 3

40 Capítulo 33: Ondas Eletromagnéticas Cálculos: Sabemos (pelo item anterior) que o ângulo ϴ 2 (ângulo de refração) do meio 1 para o meio 2 é de 28,88º, que também é o ângulo de incidência do raio de luz do meio 2 para o meio 3, portanto, o ângulo de reflexãodaluznainterfacedomeio2e3tambémé28,88º. θ 3 θ 3 nsenθ = sen 1 2 = 28,88º 3 1, 77 sen.0,483 1, 00 θ = 58,75º 59º 1 = 3 n n nsenθ sen

41 Reflexão Interna Total

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43 33-9 Reflexão Interna Total Capítulo 33: Ondas Eletromagnéticas nsenθ = nsen θ n senθ = senθ Se n 1 > n 2 o raio refratado se afastará da normal podendo n1 acontecer a reflexão total. n2 n1senθ c = n2sen90 senθ Ângulo Crítico: c = n 1 θ c = se n n n 1 2 1

44 Ondas eletromagnéticas Reflexão interna total Se a incidência se dá de um meio mais refringente para outro menos refringente, ou seja, n, há um ângulo crítico acima 1 > n 2 do qual só há reflexão. n = 1 sinθ1 n2 sin θ 2 π n1 sinθc = n2 sin = 2 n 2 θ 2 n 2 θ c = sin 1 n n 2 1 θ 1 θ c n 1 > n 2 n 1

45 Ondas eletromagnéticas Reflexão interna total: fibras ópticas

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47 33-9 Reflexão Interna Total Capítulo 33: Ondas Eletromagnéticas Fibra Ótica

48 33-9 Reflexão Interna Total Capítulo 33: Ondas Eletromagnéticas n core > n cladding

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51 Ondas eletromagnéticas Problema 5 Uma fonte luminosa pontual está 80,0 cm abaixo da superfície de uma piscina. Calcule o diâmetro do círculo, na superfície, através do qual a luz emerge da água.

52 Uma fonte luminosa pontual está 80,0 cm abaixo da superfície de uma piscina. Calcule o diâmetro do círculo, na superfície, através do qual a luz emerge da água. d h = = senθ 0,8 m ( d 2 + R 2 ) 1/ 2 c 0,565(d R 2 2 n senθ = n sen90 = = + H 2 n n O = c 1 1,33 ar 0,752 R h ar 2 H (d + 2 O R 0,832 D 2 ) 182cm = R 2 R = d n = ar 0,565(0,8 0,912m ; 2 D R h ) = = R R R 2R 2 2 ) 1/2 (1 0,565) 1,824m

53 Capítulo 33: Ondas Eletromagnéticas Polarização por Reflexão Lei de Brewster Luz incidente não-polarizada Num ângulo particular: Luz refletida polarizada Luz refratada parcialmente polarizada

54 Ondas eletromagnéticas Polarização por reflexão A luz refletida por uma superfície é totalmente polarizada na direção perpendicular ao plano de incidência quando Então n 1 θ θ = i + r sinθi = n2 tan π 2 π sin θi 2 n2 n θ θ tan 1 2 i B 1 θi = 1 B = θ B n n n 1 n 2 θ : ângulo de Brewster

55 Exemplo de aplicação polarização da luz Foto sem lente polarizadora Foto com lente polarizadora