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Refração e desvio da luz

Você já deve ter ouvido falar da velocidade da luz de Einstein e que ela é sempre igual. No entanto, a parte dessa teoria que a maioria das pessoas ignora é que isso só é verdade no vácuo — quando não há moléculas intrometidas de ar ou de água para desacelerar a luz. Quando a luz se move por um meio mais familiar, como o ar, ela se move mais devagar por causa das interações de fótons individuais com as moléculas do material. Em geral, quanto mais oticamente denso for o meio, menor será a velocidade da luz. Então, o que acontece com a luz quando ela passa de um meio para outro?

A velocidade da luz varia

Imagine que você e seus amigos estejam na praia e que todos decidam nadar juntos, de forma que vocês dão as mãos uns para os outros e se aproximam da água em linha reta. Conforme entram na água, todos vocês começam a andar mais devagar, porque é mais difícil atravessar a água do que o ar. Agora, imagine que vocês se aproximam da água em um determinado ângulo em relação à costa. A pessoa que está na extremidade vai chegar à água primeiro e terá sua velocidade diminuída primeiro, depois o mesmo acontecerá com a próxima pessoa da fila, e depois com a próxima, até que todos estejam caminhando pela água. Como uma extremidade da fila tem sua velocidade reduzida antes da outra extremidade, a fila de pessoas fica torta, com as pessoas que ainda estão na areia em um ângulo diferente em relação à borda da água que as pessoas que já entraram no oceano.
Podemos dizer que a água desvia o caminho de cada indivíduo na direção de uma reta normal desenhada perpendicularmente à costa, pois as pessoas que ainda estão na areia estão mais afastadas da costa do que as que estão na água.
A mesma coisa acontece com um raio de luz quando ele se move do ar para a água, ou de qualquer outro meio mais rápido para um meio mais lento: ele se desvia na direção da normal.

Princípio do tempo mínimo

Outra forma de pensar sobre isso é imaginar que você e seu amigo estão apostando uma corrida até um barco que está no meio de um lago. Para isso, vocês têm que passar pela areia da praia e depois pela água.
Seu amigo decidiu seguir uma trajetória em linha reta até o barco e saiu correndo pela areia. Você sabe que consegue ir mais rápido correndo do que nadando, então você foi em direção à água em um ângulo no qual passará mais tempo correndo do que nadando.
Com certeza a sua estratégia dá resultados e você chega primeiro ao barco. Seu amigo pegou o caminho mais curto em termos de distância, mas você levou em consideração a diferença de velocidade em cada meio e pegou o caminho mais curto em termos de tempo. Isso significa que você percorreu o caminho do tempo mínimo.
A luz faz exatamente isso quando se move entre meios diferentes. Quando consideramos a diferença na velocidade entre os meios, a luz pega o caminho que vai levar a menor quantidade de tempo para ser percorrido.
Por exemplo, imagine que você está olhando pela janela. Você tem ar, vidro e ar novamente. O vidro é mais denso do que o ar, portanto a luz de fora passa de um meio mais rápido para um meio mais lento e depois para um meio mais rápido novamente. A luz vai pegar o caminho que leva o menor tempo para ser percorrido de fora até os seus olhos.
Você também pode ver que a regra vista anteriormente ainda se aplica: quando a luz entra no vidro, o raio de luz é desviado na direção da normal. Quando ela deixa o vidro, o raio de luz é desviado para longe da normal e recupera o mesmo ângulo de antes de entrar no vidro.

Considere o seguinte

Digamos que você esteja em um aquário e que lá haja um tanque totalmente cheio de água com vidros em sua parte superior e nas laterais. Se você for um pouco para trás, você conseguirá ver a mesma arraia através da parte de cima e das laterias do tanque.
Como você vê a luz vindo através do vidro de dois pontos diferentes, você vê duas imagens da mesma arraia.

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