A refração da luz ocorre quando esta passa de um meio para outro com diferentes velocidades de propagação, desviando o seu percurso. Isto causa ilusões de ótica como a profundidade aparente de piscinas. A reflexão total ocorre em ângulos acima do ângulo crítico e é aproveitada em aplicações como fibras óticas, onde a luz se propaga por sucessivas reflexões internas.

1. Refracção da Luz
Subtema 2.3
SUMÁRIO: REFRIGÊNCIA DE UM MEIO
Aprendizagens Específicas:
1. Explicar o Fenómeno da Refracção da Luz
2. Indicar em que Condições Ocorre o Fenómeno da Reflexão Total da Luz
3. Referir Algumas Aplicações Práticas do Fenómeno da Reflexão Total da Luz
Conteúdos a Leccionar:
A refracção da luz é um fenómeno que ocorre quando a luz passa de um meio
óptico para outro, onde a velocidade de propagação é diferente. Este fenómeno é
facilmente observável devido ao deslocamento aparente do objecto:
Refração da Luz: Observação do Fenómeno
Em meios transparentes pode ocorrer a transmissão da luz. Se o meio material que
envolve o meio transparente for o mesmo, os raios emergentes apresentam a
mesma direcção de propagação dos raios incidentes, ainda que "deslocados
“relativamente aos pontos de incidência. Os raios emergentes (transmitidos) são
também raios refractados:

2. Refracção da Luz: Propagação da Luz em Meios Distintos
É a mudança de direcção de propagação da luz que evidencia o fenómeno da
refracção e está na origem da percepção distorcida da distância a que os objectos se
encontram (ilusões) quando estes meios são transparentes:
Refracção da Luz: Observação do Fenómeno
A refracção de um raio de luz pode ser estudada, tal como a reflexão, a partir da
separação dos meios, do ponto de incidência do raio e da normal ao ponto de
incidência:
Refracção da Luz: Raio Reflectido e Raio Refractado

3. A velocidade de propagação da luz é diferente conforme os meios ópticos que
atravessa. Por exemplo, na água e no vidro a velocidade da luz é menor do que no ar.
Isto é, a luz "atrasa-se" ao propagar-se nestes meios.
Meio Material Velocidade (km/s)
Tabela I: Velocidades de Propagação da Luz em diferentes Meios
Água 225 000
Perspex 201 000
Vidro 197 000
Diamante 124 000
Quando a luz passa do ar para o vidro, a velocidade da luz diminui e o raio luminoso é
desviado, aproximando-se da normal. Este raio designa-se por raio refractado.
O ângulo de incidência é maior do que o ângulo de refracção, e por isso se diz que
o ar é um meio opticamente menos denso (ou menos refringente) do que o vidro.
Transmissão da Luz: Raios Refratos e Raio Emergente
Quando a luz passa do vidro para o ar, a velocidade da luz aumenta. Neste caso, o raio
luminoso é desviado, afastando-se da normal. O raio que emerge do vidro para se
propagar no ar chama-se raio emergente (transmitido). O ângulo de refracção é
maior do que o ângulo de incidência.
Quando a luz passa de um meio menos refringente para um meio mais refringente,
o raio refrato desvia-se e aproxima-se da normal. Quando a luz passa de um meio
mais refringente para um meio menos refringente, o raio refrato desvia-se eafasta-
se da normal:

4. Refração da Luz: Desvio do Raio Refrato Relativamente à Normal
O deslocamento aparente deve-se aos sucessivos desvios do raio
refratorelativamente aos pontos de incidência quando o raio luminoso é forçado a
atravessar um meio transparente:
Refração da Luz: Deslocamento Aparente
Em qualquer caso, a transmissão pode ocorrer sem grandes evidências de raios
reflectidos. A energia dos raios reflectidos e refractados depende da energia do raio
incidente, da separação de meios e da amplitude do ângulo de incidência:
Transmissão da Luz: Fenómenos da Reflexão e da Refração
A utilização de um raio laser pode facilitar a observação do percurso ótico do raio ou do
feixe de luz. A maior intensidade luminosa evidencia a presença de maior
energia do raio luminoso:

5. Transmissão da Luz: Fenómenos da
No entanto, verifica-se que não há mudança de direcção do raio refrato quando
oângulo de incidência é de 0º, ou seja, quando o raio incide perpendicularmente à
superfície de separação dos meios:
Transmissão da Luz: Estudo do Desvio do Raio Refrato
Nestas condições, isto é, quando o raio incide perpendicularmente à superfície de
separação dos meios, embora a velocidade de propagação da luz se altera, estanão é
desviada da normal:
Transmissão da Luz: Estudo do Desvio do Raio
Para um ângulo de incidência de 90º, tal
como não se verifica raio reflectido,
também não se verifica raio refrato.

6. Condições de Refracção:
• Quando a luz passa do ar para o vidro, a velocidade da luz diminui. O raio
luminoso é desviado, aproximando-se da normal, (Raio Refracto).
NOTA: O ângulo de incidência é maior do que o ângulo de refracção. Diz-se, então,
que o ar é um meio opticamente menos denso (ou menos refringente) do que o vidro.
• Quando a luz passa do vidro para o ar, a velocidade da luz aumenta. Oraio
luminoso é desviado, afastando-se da normal. O raio que emerge do vidro para se
propagar no ar chama-se Raio Emergente.
NOTA: O ângulo de refracção é maior do que o ângulo de incidência.
• Se a luz incidir perpendicularmente à superfície de separação de dois meios ópticos
diferentes, esta não muda de direcção.
A profundidade das piscinas é enganadora. Parece-nos menos profunda do que é na
realidade, devido ao fenómeno da refracção da luz. Assim, parece que
qualquerobjecto que se encontre no fundo da piscina está a
uma profundidade menor do que realmente está. Por outro lado, quem estiver na água
da piscina e olhar para umobjecto ou para uma pessoa que esteja fora da água, terá
a sensação de que estes se encontram mais afastados do que realmente estão.
Refracção da Luz: Profundidade Aparente
É precisamente o que acontece a um peixe que olha para os exteriores do seu aquário.
O peixe terá a ilusão óptica de que o gato está mais afastado do aquáriodo
que realmente está:

7. Refracção da Luz: Afastamento Aparente
Outra situação que evidencia o desvio do raio refracto é o facto de se poder ver ofundo
da piscina de uma posição mais afastada da sua orla quando esta está cheia de água:
Refração da Luz: Profundidade Aparente
Outro exemplo, é aquele que evidencia a possibilidade de se observar, por refração,
um objeto no fundo de um copo quando este está cheio de água. Quando vazio,
asparedes opacas do recipiente impedem a observação do objeto:
Refração da Luz: Posição Aparente
Toma Nota:
• Se o raio incidente for coincidente com a normal, isto é, perpendicular à superfície
de separação de meios, o raio refrato também coincide com a normal, isto é, o raio
incidente não sofre qualquer desvio, independentemente darefringência do meio.
Reflexão Total da Luz:

8. O ângulo de incidência a
partir do qual já não ocorre
refração e se dá a reflexão
total do feixe de luz chama-
se ângulo crítico ou ângulo-
limite. A amplitude do
ângulo critico depende do
par de meios ópticos que o feixe de luz atravessa.
Refração: O Ângulo de Refração Aumenta com o Ângulo de Incidência
Para valores do ângulo de incidência superiores ao ângulo crítico, apenas ocorre
ofenómeno da reflexão da luz. Toda a energia do raio incidente se transfere para
oraiorefletido.
Reflexão Interna Total: Ângulo Crítico
O valor da amplitude do ângulo Crítico para vários pares de materiais transparentes é
uma informação tabelada. Por exemplo, se o par de meios ópticos for "água-ar",
a amplitude do ângulo limite é de 49°. No caso do par de meios óticos "vidro-ar",
a amplitude do ângulo limite é de 41°.
Feixe de Luz Incidente: Ainda com Ocorrência de Reflexão

9. A amplitude dos ângulos limites para vários pares de materiais transparentespode
ser determinada com a ajuda de um Disco de Hartl:
Feixe de Luz Incidente: Reflexão Interna Total
Assim, qualquer valor do ângulo crítico pode ser verificado experimentalmente tal
como sucede no exemplo que se ilustra a seguir com um feixe laser e uma placa de
perplex sobre a qual se fez incidir um feixe luminoso de laser.
Feixe de Luz Incidente: Ainda com Ocorência de Reflexão
Nestas imagens, anterior e seguinte, ilustra-se a determinação experimental doângulo
limite para o par de materiais "ar-perplex" que é de aproximadamente 40º:
Feixe de Luz Incidente: Reflexão Interna Total

10. Pode representar-se esquematicamente a amplitude do ângulo de incidência a partir
do qual se verifica reflexão interna total:
Feixe de Luz: Reflexão Interna Total
Na imagem que se segue, evidencia-se experimentalmente que a intensidade do feixe
de luz refletido é igual ao do feixe incidente quando ocorre reflexão interna total:
Feixe de Luz: Energia do Feixe Refletido
Na experiência seguinte, é utilizada uma placa de perplexsemi circular. O feixe de
luz incide perpendicularmente na superfície curva da placa, e ocorre reflexão interna
total quando o ângulo incidente atinge a amplitude do ângulo crítico:
Feixe de Luz: Incidência e Reflexão Interna Total
A reflexão interna total tem aplicações práticas como é o caso do periscópio de
prisma que substitui os tradicionais espelhos por prismas que apresentam umângulo
limite de 45º:

11. Reflexão Interna Total: Aplicações nos instrumentos Ópticos
Na experiência da imagem seguinte, ilustra-se o fenómeno da reflexão interna
total para um par de meios tal, que a amplitude do ângulo limite é de 45º:
Reflexão Interna Total: Observação Experimental
Na imagem seguinte, evidenciam-se outras situações experimentais nas quais se
observa a reflexão interna total:
Reflexão Interna Total: Observação Experimental

12. Para evidenciar a refração da luz na água pode utilizar-se um tanque de refração.
Otanque consiste numa armação de vidro ou de um material transparente com formato
rectangular no qual se pode colocar água e uma fonte luminosa no seu fundo
para estudar a propagaçao de raios entre a separação das superfícies "água-ar":
Refração da Luz: Tanque de Água
Se considerarmos um raio luminoso, emitido por uma lâmpada inserida numa tina com
água, o qual incide na superfície de separação do par de meios óticos "água-ar",
verifica-se que se a amplitude do ângulo de incidência for inferior a 49° ocorre,
simultaneamente, a refração da luz e a reflexão da luz. Esta é a situação mais comum
no quotidiano.
Reflexão Interna Total: Tanque de Água

13. No entanto, se a amplitude do ângulo de incidência for igual a 49°, ainda se verifica
refração, sendo a amplitude do ângulo de refracção é de 90°. Acima desse
valor,ocorre reflexão interna total:
Reflexão Interna Total: Tanque de Água
Na animação que se segue, é possível observar a progação de três raios luminosos,
um dos quais experimenta reflexão interna total:
Toma Nota:
• Se o par de meios ópticos for "água-ar", a amplitude do ângulo-limite (ângulo
crítico) é de 49°.
• Se o par de meios ópticos for "vidro-ar", a amplitude do ângulo-limite (ângulo
crítico) é de 41°.
A mesma experiência pode ser conduzida a partir de um feixe laser projetado na
água desde o exterior do tanque de refração:
Reflexão Interna Total: Tanque de Refração
Existem aparatos óticos de laboratório devidamente prepados para evidenciar, desde
o interior de um tanque de refração, o fenómeno da reflexão interna total. Consistem

14. num arco circular com ranhuras paralelas através das quais se formamfeixes de luz
divergentes que se propagam da água para o exterior (ar):
Reflexão Interna Total: Tanque de Refração
No entanto, esta experiência pode ser facilmente observada com recurso a materiais
comuns do dia a dia:
Reflexão Interna Total: Laser Projetado numa Garrafa com Água
Na animação que se segue é possível estudar a relação entre a amplitude do ângulo
do raio incidente e a amplitude do ângulo de refração bem como as
respectivas condições de reflexão interna total:

15. Fibras Ópticas:
O fenómeno da reflexão total da luz aplica-se nas fibras ópticas, que podem servir
como meio de comunicação a longas distâncias. As fibras ópticas são constituídas
por longos tubos feitos de um material flexível (vidro especial ou plástico).
Fibra Ótica: Aplicações da Reflexão Interna Total
A luz propaga-se através do interior das fibras ópticas sofrendo sucessivas reflexões
totais, (sem perdas significativas de energia):
Fibra Ótica: Reflexão Interna Total sem Perdas de Energia
Na imagem seguinte evidencia o fenómeno da reflexão interna total que se verifica
no interior das fibras óticas:
Fibra Ótica: Reflexão Interna Total sem Perdas de Energia
Existem vários tipos de fibra ótica. Em qualquer caso, o príncipio que é aproveitado é o
da reflexão interna total:

16. Fibra Ótica: Aplicações da Reflexão Interna Total
A fibra ótica tem muitas aplicações, no domínio das telecomunicação e namedicina.
Um exemplo é o exame endoscópico, no qual os médicos podem observar o interior do
corpo humano utilizando um endoscópio que é constituído por umtubo fino e
flexível que pode ser inserido pelo médico no corpo do doente através de um pequeno
orifício. A imagem do interior do corpo é visualizada num ecrã de televisão: