Física · 9.ª–12.ª classe

O que é a lei de Snell-Descartes?

  • 9 min de leitura
  • 4 exemplos resolvidos
  • 5 exercícios com solução
  • Atualizado em

Resposta curta

A lei de Snell-Descartes (ou lei da refração) relaciona os ângulos de um raio de luz que passa de um meio para outro: n1 × sen θ1 = n2 × sen θ2. Os ângulos medem-se em relação à normal e n é o índice de refração de cada meio. Ao entrar num meio com n maior, o raio aproxima-se da normal.

Definição e características

Quando a luz passa de um meio transparente para outro (por exemplo, do ar para a água), a sua velocidade muda e, se incidir obliquamente, a sua direção também muda. A esse desvio chama-se refração. A lei de Snell-Descartes diz quanto é o desvio.

Lei de Snell-Descartes

n1 × sen θ1 = n2 × sen θ2 n = c ÷ v (c ≈ 3,00 × 108 m/s)

  • θ1 é o ângulo de incidência e θ2 o ângulo de refração, ambos medidos em relação à normal.
  • n1 e n2 são os índices de refração do primeiro e do segundo meio.
  • O raio incidente, o raio refratado e a normal estão no mesmo plano.

Índices de refração usuais

Meion (valor aproximado)
Vácuo1 (exato)
Ar1,00
Água1,33
Vidro comumcerca de 1,5 (depende do tipo de vidro)
Diamante2,42

Confirme no seu manual os valores que o seu professor usa nos exercícios.

Como o raio se desvia

  • Se o raio passa para um meio com n maior (mais refringente), a velocidade diminui e o raio aproxima-se da normal: θ2 é menor do que θ1.
  • Se passa para um meio com n menor, afasta-se da normal: θ2 é maior do que θ1.
  • Se incide na normal (θ1 = 0°), não há desvio, embora a velocidade mude.

Ângulo limite e reflexão total

Quando a luz vai de um meio mais refringente para outro menos refringente, existe um ângulo limite θc para o qual o ângulo de refração é 90°. Nesse caso:

sen θc = n2 ÷ n1 (com n1 maior do que n2)

Para ângulos de incidência maiores do que θc, não há luz refratada: dá-se reflexão total. É o princípio das fibras óticas.

Método de resolução

  1. Identifique o meio 1 (onde está o raio incidente) e o meio 2, com os seus índices.
  2. Confirme que os ângulos estão medidos em relação à normal; se não, faça 90° menos o ângulo dado.
  3. Escreva n1 × sen θ1 = n2 × sen θ2 e isole o que procura.
  4. Use a calculadora em graus e, para o ângulo, a função inversa (sen-1).
  5. Verifique o sentido: n maior implica ângulo menor.

Exemplos resolvidos

Exemplo 1 — Do ar para a água

Enunciado: Um raio de luz passa do ar (n = 1,00) para a água (n = 1,33) com ângulo de incidência de 45°. Calcule o ângulo de refração.

Resolução:

  1. 1,00 × sen 45° = 1,33 × sen θ2.
  2. sen 45° ≈ 0,7071, logo sen θ2 = 0,7071 ÷ 1,33 ≈ 0,5317.
  3. θ2 = sen-1(0,5317) ≈ 32,1°.

Resposta: θ2 ≈ 32°. Verificação: é menor do que 45°, como esperado ao entrar num meio com n maior.

Exemplo 2 — Do ar para o vidro

Enunciado: Um raio incide do ar para um vidro (n = 1,5) com ângulo de incidência de 30°. Calcule o ângulo de refração e a velocidade da luz no vidro.

Resolução:

  1. 1,00 × sen 30° = 1,5 × sen θ2, logo sen θ2 = 0,5 ÷ 1,5 = 0,3333.
  2. θ2 = sen-1(0,3333) ≈ 19,5°.
  3. v = c ÷ n = 3,00 × 108 ÷ 1,5 = 2,0 × 108 m/s.

Resposta: θ2 ≈ 19,5° e v = 2,0 × 108 m/s. Verificação: 19,5° é menor do que 30° e a luz é mais lenta no vidro do que no ar.

Exemplo 3 — Ângulo limite da água

Enunciado: Calcule o ângulo limite para a luz que vai da água (n = 1,33) para o ar (n = 1,00). Que acontece a um raio que incide a 60° do lado da água?

Resolução:

  1. sen θc = n2 ÷ n1 = 1,00 ÷ 1,33 ≈ 0,7519.
  2. θc = sen-1(0,7519) ≈ 48,8°.
  3. 60° é maior do que 48,8°.

Resposta: θc ≈ 48,8°; o raio a 60° sofre reflexão total e não sai da água. Verificação: com 60°, n1 × sen 60° = 1,33 × 0,866 = 1,15, maior do que n2 × 1 = 1,00, pelo que não existe ângulo de refração real.

Exemplo 4 — Nível de exame: descobrir o índice de refração

Enunciado: Um raio incide do ar numa substância transparente com ângulo de incidência de 45° e o ângulo de refração é de 30°. Calcule o índice de refração da substância e a velocidade da luz nela.

Resolução:

  1. 1,00 × sen 45° = n × sen 30°.
  2. n = 0,7071 ÷ 0,5 ≈ 1,41.
  3. v = c ÷ n = 3,00 × 108 ÷ 1,41 ≈ 2,13 × 108 m/s.

Resposta: n ≈ 1,41 e v ≈ 2,1 × 108 m/s. Verificação: n maior do que 1 e ângulo de refração menor do que o de incidência, o que é coerente.

Exemplos do quotidiano

  • Uma colher dentro de um copo com água parece "partida": a luz refrata-se ao sair da água para o ar e o olho vê a colher noutra posição.
  • A piscina ou o rio parecem menos fundos do que são: os raios que vêm do fundo desviam-se ao passar para o ar.
  • As fibras óticas da internet: a luz fica presa no interior da fibra por reflexão total.
  • O arco-íris: a luz solar refrata-se e reflete-se em gotículas de água, e cada cor desvia-se um pouco diferente.

Erros frequentes

  • Medir os ângulos em relação à superfície em vez da normal.
  • Trocar n1 e n2 na equação ou inverter a razão ao calcular o ângulo limite.
  • Calculadora em radianos. Verifique se está em graus (DEG), caso contrário sen 30° dá resultados estranhos.
  • Dizer que o ângulo de refração é sempre menor. Só é menor quando o raio entra num meio com n maior.
  • Aplicar o ângulo limite na direção errada. Só existe quando a luz vai do meio mais refringente para o menos refringente.
  • Confundir n com a velocidade. Quanto maior o n, menor a velocidade da luz (v = c ÷ n).

Exercícios propostos

Tente resolver primeiro no caderno; depois confira.

1Exercício 1

Um raio passa do ar para a água (n = 1,33) com ângulo de incidência de 30°. Calcule o ângulo de refração.

Ver solução

sen θ2 = sen 30° ÷ 1,33 = 0,5 ÷ 1,33 ≈ 0,3759, logo θ2 ≈ 22,1°.

2Exercício 2

Um raio incide do ar para um vidro (n = 1,5) com ângulo de incidência de 45°. Determine o ângulo de refração.

Ver solução

sen θ2 = 0,7071 ÷ 1,5 ≈ 0,4714, logo θ2 ≈ 28,1°.

3Exercício 3

Calcule a velocidade da luz na água, sabendo que n = 1,33 e c = 3,00 × 108 m/s.

Ver solução

v = c ÷ n = 3,00 × 108 ÷ 1,33 ≈ 2,26 × 108 m/s.

4Exercício 4

Um raio vai do ar para um líquido com ângulo de incidência de 60° e ângulo de refração de 40°. Determine o índice de refração do líquido.

Ver dica

sen 60° ≈ 0,8660 e sen 40° ≈ 0,6428.

Ver solução

n = sen 60° ÷ sen 40° = 0,8660 ÷ 0,6428 ≈ 1,35.

5Exercício 5

Calcule o ângulo limite para a passagem da luz do vidro (n = 1,5) para o ar. Haverá reflexão total para um raio que incide a 50° dentro do vidro?

Ver solução

sen θc = 1,00 ÷ 1,5 ≈ 0,6667, logo θc ≈ 41,8°. Como 50° é maior do que 41,8°, há reflexão total.

Perguntas frequentes

Qual é a diferença entre a lei de Snell-Descartes e a lei da reflexão?

A lei da reflexão (r = i) descreve a luz que volta ao mesmo meio. A lei de Snell-Descartes descreve a luz que passa para outro meio e muda de direção, por isso depende dos índices de refração.

Onde se aplica a lei de Snell-Descartes na prática?

No desenho de lentes de óculos e de câmaras, em prismas, em fibras óticas e na explicação de fenómenos como o arco-íris e a profundidade aparente da água.

Porque é que o raio se aproxima da normal quando entra na água?

Porque a velocidade da luz diminui na água. A parte da frente de onda que chega primeiro à água abranda primeiro e a frente de onda roda, o que inclina o raio para a normal.

Que erros os estudantes cometem sobre a lei de Snell-Descartes?

Os mais comuns são medir ângulos com a superfície, trocar n1 com n2 e deixar a calculadora em radianos. Veja a secção «Erros frequentes».

Resumo

  • Lei de Snell-Descartes: n1 × sen θ1 = n2 × sen θ2, com ângulos medidos em relação à normal.
  • n = c ÷ v: quanto maior o n, menor a velocidade da luz.
  • Para n maior, o raio aproxima-se da normal; para n menor, afasta-se.
  • Existe ângulo limite (sen θc = n2 ÷ n1) quando a luz vai de n maior para n menor; acima dele há reflexão total.
  • Use a calculadora em graus.

Onde aprofundar

  • O manual de Física da sua classe e o programa oficial (INIDE / Ministério da Educação de Angola), na secção de Ótica; confirme a edição em vigor.
  • O manual aberto OpenStax Physics (em inglês), capítulo sobre a refração da luz.
  • O Sistema Internacional de Unidades, descrito pelo BIPM.

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