Faculdade de Tecnologia de Bauru Sistemas Biomédicos

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1 1 Faculdade de Tecnologia de Bauru Sistemas Biomédicos Óptica Técnica Aula 3 Refração da Luz

2 O que é Refração? 2 É o fenômeno da passagem da luz de um meio a outro. Com exceção da incidência normal, a experiência mostra que, quando há refração, ocorre um desvio na trajetória do raio de luz. O valor do desvio depende da cor.

3 VELOCIDADE DA LUZ 3 c km/ s m / s (vácuo) ÍNDICE DE REFRAÇÃO DO MEIO Número que representa quantas vezes em um meio, a velocidade da luz é menor que no vácuo

4 4 n c v Velocidade da luz no vácuo Velocidade da luz no meio n 1 ar, vácuo

5 5 Refringência do Meio Quanto maior a refringência do meio, maior a interferência que esse meio exerce à propagação da luz. Dessa forma, quanto maior a refringência do meio, menor é a velocidade de propagação da luz. Portanto, a mudança de meio impõe à luz uma mudança na velocidade de propagação.

6 V= km/s V= km/s V= km/s 6

7 Observação: 7 Nos demais meios, a velocidade de propagação da luz tem valor inferior a km/s e depende da cor dessa luz. Por exemplo, na água, temos: v vermelho v azul

8 Variação do n em função das cores 8

9 Leis Da Refração 9

10 10 1ª Lei da Refração Raio de luz incidente (a), raio de luz refratado (c) e reta normal (N), são coplanares.

11 2ª Lei da Refração Lei de Snell - Descartes 11 n sen i n A B sen r

12 Quando a luz passa do meio menos refringente para o meio mais refringente ela se aproxima da reta normal. 12

13 Quando a luz passa do meio mais refringente para o meio menos refringente ela se afasta da reta normal. 13

14 14

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16 16 1. Sendo a velocidade da luz de determinada freqüência igual a 2,26x10 8 m/s na água e a 1,99x10 8 m/s no benzeno, determine: a) O índice de refração do benzeno em relação à água: b) O índice de refração absoluto do benzeno; c) O índice de refração absoluto da água. Dado: a velocidade da luz no vácuo c = 3,0x10 8 m/s. 2. A figura representa um raio de luz monocromática passado do ar para um bloco de vidro. O índice de refração absoluto do ar é 1,0 e o índice de refração absoluto desse vido é 1,5. Determine: a) O ângulo de refração no vidro quando o ângulo de incidência for 30. b) O ângulo de refração no ar, quando o ângulo de incidênia no vidro for 53.

17 17 Considere a luz passando de um meio mais refringente para um meio menos refringente (n1>n2)

18 REFLEXÃO TOTAL DA LUZ ÂNGULO LIMITE 18

19 CÁLCULO DO ÂNGULO LIMITE i N 1 2 L N sen L n n 2 1

20 20 O fenômeno da Reflexão Total(ou Reflexão Interna) só pode acontecer quando o raio incidir em um meio mais refringente. E só acontece quando o ângulo de incidência for maior que o ângulo limite (L)

21 21 Fibra óptica é um cilindro transparente de índice de refração n, imersa no ar. O índice de refração da fibra é tal que um raio de luz, ao penetrar nesse cilindro por uma de suas faces, não possa emergir pelas laterais devido à reflexão total. Dessa forma esse raio de luz é aprisionado ou confinado pela fibra óptica, saindo apenas na outra face.

22 22

23 23 3. Um raio de luz monocromática atravessa a superfície de separação entre o ar e a água. Sendo dado n água = 1,33 e n ar = 1,0, determine: a) O ângulo-limite de refração quando o raio de luz passa do ar para a água. b) O ângulo-limite de refração quando o raio de luz passa da água para a ar.

24 24

25 Cores do espectro visível 25 Cor Comprimento de onda Frequência vermelho ~ nm ~ THz laranja ~ nm ~ THz amarelo ~ nm ~ THz verde ~ nm ~ THz ciano ~ nm ~ THz azul ~ nm ~ THz violeta ~ nm ~ THz Espectro Contínuo

26 26 Em uma onda eletromagnética, a direção do campo elétrico é perpendicular à direção de propagação da onda. Se o campo elétrico permanece paralelo a uma linha perpendicular a direção de propagação, dizemos que a onda está linearmente polarizada. Por exemplo: Onda produzida por uma antena do tipo dipolo elétrico é polarizada. Ondas produzidas por várias fontes geralmente não são polarizadas.

27 Imagem: Modificada de Mortimer Abramowitz e Michael W. Davidson / Olympus America Inc. 27 Vários cristais naturais, quando cortados em formatos apropriados, absorvem e transmitem luz diferentemente dependendo da polarização da luz. Estes cristais podem ser usados para produzir luz linearmente polarizada. No ano de 1928, foi criado o polaroide, uma película (filtro) capaz de polarizar a luz em determinada direção, que permitiu a construção de polarizadores artificiais. Filtro polarizador Onda polarizada na vertical O polarizador artificial funciona como uma grade que só permite a passagem das oscilações paralelas aos vãos.

28 Imagem: NielsB / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Generic. 28 Quando dois elementos polarizadores são colocados em sucessão em um feixe de luz não polarizada, o primeiro elemento é chamado de polarizador, e o segundo, de analisador. Se o polarizador e o analisador estiverem cruzados, isto é, se seus eixos de transmissão forem perpendiculares entre si, nenhuma luz consegue atravessá-los

29 29 Quando luz não polarizada é refletida em uma superfície plana separando dois meios transparentes, tal como ar e vidro ou ar e água, a luz refletida é parcialmente polarizada. O grau de polarização depende do ângulo de incidência e da razão entre as velocidade da onda nos dois meios. Para certo angulo de incidência, chamado de ângulo de polarização, a luz refletida é completamente polarizada. No ângulo de polarização, os raios refletidos e refratado são perpendiculares entre si. Imagem: Briho / GNU Free Documentation License version 1.2.

30 30 Birrefringência: é um fenômeno complicado que ocorre na calcita e em outros cristais não-cúbicos e em alguns plásticos tensionados, como o celofane. Devido à sua estrutura microscópica, os materiais birrefringentes são anisotrópicos*. Por isso, a velocidade da luz depende da polarização e da direção de propagação da luz. Quando um raio de luz incide em tais materiais ele pode ser separado em dois raios chamados de raio ordinário e raio extraordinário. Estes raios são polarizados em direções mutuamente perpendiculares, e viajam com velocidades diferentes. Dependendo da orientação relativa entre o material e o feixe de luz incidente, os dois raios também podem viajar em direções diferentes. Há uma direção particular em um mateia birrefringente na qual ambos os raios se propagam com a mesma velocidade. Esta direção é chamada de eixo óptico do material. Quando a luz incide em um ângulo com relação ao eixo óptico, os raios viajam em direções diferentes e saem separados no espaço *Anisotropia é a característica que uma substância possui em que uma certa propriedade física varia com a direção.

31 Imagem: Eurico Zimbres FGEL-UERJ / Creative Commons Attribution- Share Alike 2.0 Brazil. Imagem: Stefan / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic. Imagem: Beatrice Murch / Creative Commons Attribution 2.0 Generic. Imagem: Eurico Zimbres FGEL-UERJ / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Generic. 31 Calcita Quartzo Turmalina Gelo

32 32

33 33 Espectro visível (ou espectro óptico) é a porção do espectro eletromagnético cuja radiação é composta por fótons capazes de sensibilizar o olho humano de uma pessoa normal. Identifica-se a correspondente faixa de radiação por luz visível, ou simplesmente luz.

34 34 A composição espectral da irradiação de diferentes substâncias é muito diversa. Mas, apesar disso, todos os espectros, como se viu experimentalmente, podem dividir-se em três tipos que se distinguem fortemente uns dos outros. Espectro Contínuo O espectro solar ou o espectro de qualquer lanterna de arco é contínuo. Isto significa que no espectro se encontram todos os comprimentos de onda. No espectro não há rupturas e no écran do espectrógrafo pode ver-se uma risca contínua multicolor. Característicos de substâncias liquidas e sólidas.

35 35 Espectro de linhas: A existência de espectros de linhas significa que a substância analisada irradia luz com determinados comprimentos de onda (mais precisamente, determinados intervalos espectrais muito estreitos). Os espectros de linhas são-nos dados por todas as substâncias que se encontram no estado gasoso atômico (mas não molecular). Neste caso, a luz é irradiada pelos átomos que, praticamente, não interatuam. É o tipo de espectros mais importantes. Espectro de linhas de emissão Espectro de linhas de absorção

36 36

37 Laser (cuja sigla em inglês significa Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ou seja, Amplificação da Luz por Emissão Estimulada de Radiação) é um dispositivo que produz radiação eletromagnética com características muito especiais: ela é monocromática (possui comprimento de onda muito bem definido), coerente (todas as ondas dos fótons que compõe o feixe estão em fase) e colimada (propaga-se como um feixe de ondas praticamente paralelas). 37

38 38 4) Luz não polarizada de intensidade 3,0 W/m 2 incide em duas lâminas polarizadas cujos eixos de transmissão fez uma ângulo de 60 (Figura 31-29). Qual é a intensidade é a intensidade da luz transmitida pela segunda lâmina? 5) Determine a energia dos fótons correspondentes aos menores comprimentos de onda (400 nm) e aos maiores comprimentos de onda (700 nm) no espectro visível. 6) O nível de energia E 1 do primeiro estado excitado de um átomo de potássio esta 1,62 ev acima do nível de energia E 0 do estado fundamental. Os níveis de energia E 2 e E 3 do segundo e terceiro estados excitados do átomo de potássio estão 2,61 ev e 3,07 ev, respectivamente, acima do estado fundamental de energia E 0. a) Qual é o maior comprimento de onda da radiação que pode ser absorvida por um átomo de potássio no seu estado fundamental? b) Calcule o comprimento de onda do fóton emitido quando o átomo faz uma transição do terceiro estado excitado para o estado fundamental? c) Calcule o comprimento de onda do fóton emitido quando o átomo faz uma transição do terceiro estado excitado para o segundo estado excitado?

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