— 2.7.12. Refração em Dióptro plano —
Dióptro plano é o conjunto de dois meios homogéneos e transparentes, separados por uma superfície plana (ex: a água tranquila de um lago e o ar, ar e um objecto de vidro de superfície plana, etc.). Quando estamos fora da água e observamos um peixe que está dentro da água, temos a sensação de que o peixe se encontra a uma certa distância, mas se sentarmos apanha-lo, notamos que há uma diferença entre a posição real onde o peixe realmente se encontra e a posição da imagem deste peixe que nós vemos. O mesmo ocorre quando estando dentro da água (por exemplo de uma piscina), observamos uma pessoa que está na margem, acima da superfície livre da água.
Este fenómeno é chamado de profundidade aparente e é explicado através da lei de Snell-Descartes, quando se analisa a refração em um dióptro plano.
Um peixe dentro da água difunde luz em todas as direcções. Parte da luz difundida refrata-se ao atingir a superfície de separação dos meios água-ar.
Figura 45: Imagem observada num dióptro plano. [5]
Como a água é mais refringente que o ar (mais densa opticamente), os raios refratados da água para o ar afastam-se da normal e podem ser captados por um observador; este, em vez de ver directamente o objecto na posição , vê a sua imagem, em
, na intercecção dos prolongamentos dos raios refratados (imagem virtual do objecto real
). O observador fica com a sensação de que o objecto (no caso, o peixe) está mais próximo, quando na realidade ele está mais distante. Lembre-se que num sistema óptico qualquer, nós vemos a imagem produzida por este sistema óptico e não o objecto propriamente dito.
Figura 46: Profundidade aparente. [7]
Podemos estabelecer a relação entre profundidade real e profundidade aparente.
Na figura 46, o triângulo , o ângulo interno do vértice A é
e no triângulo
o ângulo no vértice
é
. As suas tangentes são
e
. Dividindo estas duas relações, fica
. Para observadores muito próximos da normal,
e
são muito pequenos , logo é válida a aproximação
. O mesmo ocorre com
. Logo a relação pode ser escrita por
:
Neste caso a relação entre a profundidade real e a profundidade aparente será:
Observamos assim que a profundidade aparente é diferente da profundidade real
, podendo ser maior ou menor.
A profundidade aparente será menor do que a profundidade real se o meio no qual se situa o observador tiver um índice de refração menor do que o índice de refração do meio onde se encontra o objecto. Nestes casos o observador terá a sensação de que o objecto está mais próximo do que a sua posição real. Um exemplo disto é uma pessoa, na fora do lago que observa um peixe no lado.
De modo análogo, a profundidade aparente será maior do que a profundidade real quando o observador se encontrar num meio que tenha o índice de refração maior do que o índice de refração do meio onde se encontra o objecto. Neste caso, o observador terá a sensação de que o objecto está mais distante do que a sua posição real. Um exemplo disso é o caso de uma pessoa no interior da água que observa algo ou alguém fora da água.
Este conceito tem muitas consequências, com várias aplicações no dia-a-dia. Se quiseres atingir um peixe na água com um arpão, por exemplo, não deves atira-lo na direção da imagem que vês, mas sim um pouco abaixo dela. Caso contrário, falharás o alvo.
— 2.7.13. Superfície de faces paralelas —
Quando falamos de lâmina de faces paralelas (ou superfície de faces paralelas), falamos de uma placa de material transparente e homogénea, limitada por duas faces lisas, planas e paralelas.
Vários sistemas ópticos usados no nosso dia-a-dia são lâminas de faces paralelas, mas um exemplo mais simples são os vidro que constituem as janelas vidradas, muito comuns, nos dias de hoje.
Ao observarmos perpendicularmente sobre a lâmina, não ocorre nenhuma modificação na imagem, mas quando observamos obliquamente sobre ela, podemos notar uma certa deformação na imagem do objecto. Esta deformação será mais notada quanto maior for o índice de refração do material que constitui a lâmina, bem como quanto maior for a espessura da lâmina.
A deformação também aumenta com o aumento do ângulo de visualização. Este experimento pode ser facilmente realizado. Arranje um bloco (em forma de paralelepípedo) de material transparente (vidro, plástico ou outro). Caso não encontre o paralelepípedo, pode usar um material com outro formato qualquer, desde que tenha duas faces paralelas. Coloque um papel com letras num das faces e observe pela outra. Em seguida, vá inclinando a lâmina (em relação as letras e observa o que acontece com a imagem.
Figura 47: Trajecto de raios luminosos numa lâmina de faces paralelas. [7]
Na figura, a espessura da lâmina é designada por , o seu índice de refracção relativo com respeito ao meio circundante (o ar) é
(
). O raio incidente
é refratado pela face superior da lâmina passando de no caminho indicado pelo segmento
e sai fora da lâmina no raio indicado por
. Segundo a lei de Snell-Descartes, para a refracção pela face superior, temos:
e para a refracção pela face inferior, temos:
Ora, como se vê na figura, os ângulos e
são iguais. Logo:
Substituindo esta igualdade nas equações 40 e 41, obtemos que:
Ao atravessar a lâmina de faces paralelas o raio luminoso não muda de direcção de propagação. O raio emergente é paralelo ao raio incidente. Apesar de o raio emergente ser paralelo ao raio incidente, mas a imagem observada não é (em geral) igual ao objecto. Suponhamos que o objecto luminoso emite raios pouco inclinados em relação a normal das faces da lâmina. A imagem de
criada pela lâmina será
. O deslocamento da imagem em relação ao objecto é
. O afastamento entre os dois raios paralelos (incidente
e emergente
), ou seja, o deslocamento transversal do raio emergente em relação ao raio incidente é igual a
. A relação entre estes parâmetros poderá ser deduzida.
Consideremos a figura 47. O triângulo , recto no ângulo sob o vértice
, o ângulo interno do vértice
será
. O seu seno será
. Então:
No triângulo rectângulo , recto em
, o ângulo sobre o vértice
é
, logo:
. Então:
Combinando as expressões 43 com 44, obtemos :
O afastamento entre os raios será directamente proporcional a espessura da lâmina. Podemos também verificar, experimentalmente , que o afastamento entre os raios aumenta com o aumento do ângulo de incidência. Mas demonstrar isso matematicamente acaba por ser um pouco extenso. Por outro lado, se consideramos o triângulo
, recto em
, o ângulo sob o vértice
será
. Logo, o seu cosseno será
. Lembre-se que
. Substituindo isso na equação 43, obtemos:
Desenvolvendo o seno da diferença, separando os denominadores, e simplificando, obtemos a expressão obtemos:
Quando a lâmina é bastante delgada (fina, pouco espessa), podemos considerar que o raio emergente é confundido com o raio incidente.
— Referências Bibliográficas —
[1] Lilia Coronato Courrol & André de Oliveira Preto. APOSTILA TEÓRICA: ÓPTICA TÉCNICA I, FATEC-SP , [s.d.].
[2] Jaime Frejlich. ÓPTICA: TRANSFORMAÇÃO DE FOURIER E PROCESSAMENTO DE IMAGENS, Universidade Federal de Campinas – SP, [2010].
[3] Sérgio C. Zilio. ÓPTICA MODERNA: FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES, [2010].
[4] Renan Schetino de Souza. ÓPTICA GEOMÉTRICA, [2012].
[5] Hugh D. Young & Roger Freedman. FÍSICA IV: ÓPTICA E FÍSICA MODERNA, [2009].
[6]Hugh D. Young & Roger Freedman. FÍSICA III: ELECTROMAGNETISMO, [2009].
[7] Julião de Sousa Leal. TRABALHO DE FIM DE CURSO: MANUAL DE ÓPTICA, FACULDADE DE CIÊNCIAS DA UNIVERSIDADE AGOSTINHO NETO, [s.d.]
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