Refracção

uma explicação correta da refração envolve duas partes separadas, ambas resultado da natureza da onda da luz.a luz desloca-se através de um meio que não o vácuo (como o ar, o vidro ou a água). Isto não é por causa da dispersão ou absorção., Pelo contrário, é porque, como uma oscilação eletromagnética, a própria luz faz com que outras partículas eletricamente carregadas, como elétrons, oscilem. Os elétrons oscilantes emitem suas próprias ondas eletromagnéticas que interagem com a luz original. A onda “combinada” resultante tem pacotes de ondas que passam por um observador a uma taxa mais lenta. A luz foi efetivamente abrandada. Quando a luz retorna a um vácuo e não há elétrons por perto, este efeito de desaceleração termina e sua velocidade retorna a C.,quando a luz entra, sai ou muda o meio em que viaja, num ângulo, um lado ou o outro da frente de onda é retardado antes do outro. Esta desaceleração assimétrica da luz faz com que mude o ângulo de sua viagem. Uma vez que a luz está dentro do novo meio com propriedades constantes, ela viaja em uma linha reta novamente.

explicação para o abrandamento da luz num meio

conforme descrito acima, a velocidade da luz é mais lenta num meio que não o vácuo. Esta desaceleração se aplica a qualquer meio como ar, água ou vidro, e é responsável por fenômenos como refração., Quando a luz deixa o meio e retorna a um vácuo, e ignorando quaisquer efeitos da gravidade, sua velocidade retorna à velocidade normal da luz em um vácuo, c.

explicações comuns para esta desaceleração, baseada na idéia de dispersão de luz de, ou sendo absorvida e re-emitida por átomos, são ambas incorretas. Explicações como estas causariam um efeito “desfocado” na luz resultante, já que não estaria mais viajando em apenas uma direção. Mas este efeito não é visto na natureza.

uma explicação mais correta repousa na natureza da luz como uma onda eletromagnética., Como a luz é uma onda elétrica/magnética oscilante, a luz viajando em um meio faz com que os elétrons eletricamente carregados do material também oscilem. (Os prótons do material também oscilam, mas como eles são cerca de 2000 vezes mais massivos, seu movimento e, portanto, seu efeito, é muito menor). Uma carga elétrica em movimento emite ondas eletromagnéticas próprias. As ondas eletromagnéticas emitidas pelos elétrons oscilantes interagem com as ondas eletromagnéticas que compõem a luz original, similar às ondas de água em um lago, um processo conhecido como interferência construtiva., Quando duas ondas interferem desta forma, a resultante onda “combinada” pode ter pacotes de ondas que passam por um observador a uma taxa mais lenta. A luz foi efetivamente abrandada. Quando a luz deixa o material, esta interação com elétrons não mais acontece, e portanto a taxa de pacotes de ondas (e, portanto, sua velocidade) retornar ao normal.

explicação para a flexão da luz à medida que entra e sai de um meio

considere uma onda indo de um material para outro, onde a sua velocidade é mais lenta como na figura., Se ele atinge a interface entre os materiais em um ângulo, um lado da onda irá atingir o segundo material primeiro, e, portanto, desacelerar mais cedo. Com um lado da onda indo mais lento, toda a onda vai girar para esse lado. É por isso que uma onda se curvará para longe da superfície ou para o normal ao entrar em um material mais lento. No caso oposto de uma onda atingir um material onde a velocidade é maior, um lado da onda vai acelerar e a onda vai girar para longe desse lado.,

outra maneira de entender a mesma coisa é considerar a mudança de comprimento de onda na interface. Quando a onda vai de um material para outro, onde a onda tem uma velocidade v diferente, a frequência f da onda permanecerá a mesma, mas a distância entre frentes de onda ou comprimento de onda λ=v/f irá mudar. Se a velocidade for reduzida, como na figura à direita, o comprimento de onda também diminuirá. Com um ângulo entre as frentes de onda e a interface e mudança de distância entre as frentes de onda, o ângulo deve mudar sobre a interface para manter as frentes de onda intactas., A partir destas considerações, pode ser derivada a relação entre o ângulo de incidência θ1, o ângulo de transmissão θ2 e as velocidades de onda v1 e v2 nos dois materiais. Esta é a lei da refração ou a lei de Snell e pode ser escrita como

sin θ θ 1 sin θ θ 2 = v 1 v 2 {\displaystyle {\frac {\sin \theta _{1} {\sin \theta _{2}}}={\frac {v_{1}}} {v_{2}}}.

o fenômeno da refração pode, de uma forma mais fundamental, ser derivado da equação de onda 2 ou 3-dimensional., A condição de contorno na interface exigirá então que a componente tangencial do vetor de onda seja idêntica nos dois lados da interface. Uma vez que a magnitude do vetor de onda depende da velocidade da onda, isso requer uma mudança na direção do vetor de onda.

A velocidade de onda relevante na discussão acima é a velocidade de fase da onda. Isto é tipicamente próximo à velocidade de grupo que pode ser vista como a velocidade mais verdadeira de uma onda, mas quando eles diferem é importante usar a velocidade de fase em todos os cálculos relacionados à refração.,

uma onda que viaja perpendicularmente a um limite, ou seja, tendo as suas frentes de onda paralelas ao limite, não irá mudar de direcção mesmo que a velocidade da onda mude.

Lei da refração

para a luz, o índice de refração n de um material é mais frequentemente usado do que a velocidade da fase de onda v no material. Eles estão, no entanto, diretamente relacionados através da velocidade da luz no vácuo c como

N = C V {\displaystyle n={\frac {c}{v}}}}.,

na óptica, portanto ,a lei da refração é tipicamente escrita como

n 1 sin θ θ 1 = n 2 sin θ θ 2 {\displaystyle n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2}\sin \theta _{2}.

Refração em uma superfície de água

a Refração ocorre quando a luz passa através de uma superfície de água, pois a água tem um índice de refração de 1,33 e o ar tem um índice de refração de cerca de 1., Olhando para um objeto reto, como um lápis na figura aqui, que é colocado em uma inclinação, parcialmente na água, o objeto parece dobrar-se na superfície da água. Isto é devido à flexão de raios de luz como eles se movem da água para o ar. Uma vez que os raios chegam ao olho, o olho os traça de volta como linhas retas (linhas de visão). As linhas de visão (mostradas como linhas tracejadas) se intersectam em uma posição mais elevada do que a de onde os raios reais originaram. Isto faz com que o lápis pareça mais alto e a água pareça mais rasa do que realmente é.,

A profundidade que a água parece ser quando vista de cima é conhecida como a profundidade aparente. Esta é uma consideração importante para a pesca da superfície, porque fará com que o peixe-alvo pareça estar num local diferente, e o pescador deve ter como objectivo mais baixo para capturar o peixe. Inversamente, um objeto acima da água tem uma altura aparente mais elevada quando visto de baixo da água. A correcção oposta deve ser feita por um peixe arqueiro.,

para pequenos ângulos de incidência (medidos a partir do normal, quando sin θ É aproximadamente o mesmo que tan θ), a razão entre profundidade aparente e real é a razão entre os índices de refração do ar e a da água. Mas, à medida que o ângulo de incidência se aproxima de 90o, a profundidade aparente se aproxima de zero, embora a reflexão aumente, o que limita a observação em ângulos altos de incidência., Inversamente, a altura aparente aproxima-se do infinito à medida que o ângulo de incidência (a partir de baixo) aumenta, mas ainda mais cedo, à medida que se aproxima o ângulo de reflexão interna total, embora a imagem também se desvaneça à medida que se aproxima este limite.