Reflexão total em um aquário.

Objetivo

Demonstrar o fenômeno da reflexão total.

Descrição

O fenômeno da reflexão total está descrito em nossa seção TINTIM por TINTIM. Essa experiência é uma demonstração desse fenômeno. Um feixe de luz é desviado por refração ao passar da água para o ar. Se o ângulo de incidência exceder o chamado "ângulo crítico", o feixe se reflete totalmente e permanece na água.

 

Use, de preferência, um aquário longo e raso. A fonte de luz pode ser um desses lasers de apontar que os conferencistas costumam usar. Faça o feixe de luz penetrar no aquário com um ângulo tal que a incidência na superfície entre a água e o ar seja maior que o ângulo crítico. Para uma interface entre o ar e a água o ângulo crítico é de uns 50o. Colocando um espelho no fundo do aquário é possível conseguir várias reflexões totais na interface superior, como vemos na figura ao lado.

 

Uma variação interessante consiste em formar duas camadas de líquidos diferentes, com índices de refração diferentes. Por exemplo, o óleo vegetal tem densidade menor que uma mistura de água e álcool isopropílico, e, portanto, flutua em uma camada superior. No entanto, seu índice de refração é maior que o índice de refração da mistura. Incidindo o feixe do laser sobre a interface entre os dois líquidos com um ângulo maior que o ângulo crítico, o feixe é refletido totalmente para cima. Nesse caso, temos uma situação semelhante a que surge nas miragens.

Análise

Leia nossa seção TINTIM por TINTIM para maiores detalhes sobre a reflexão total. Esse fenômeno pode ocorrer quando a luz vem de um meio de maior índice de refração para outro de menor índice de refração. É o caso da luz vindo da água (n = 1,33) para o ar (n = 1,0). Se o ângulo entre o feixe incidente e a normal (isto é, uma reta perpendicular à interface no ponto onde a luz incide), for maior que o ângulo crítico o feixe de luz não atravessa a interface mas se reflete de volta para a água. O seu aquário é um modelo de fibra óptica, onde a luz viaja confinada pela reflexão total.
O ângulo crítico nesse caso é de 49,75o. Como achar esse valor? Ele corresponde a um ângulo de incidência que resulta em um ângulo de refração igual a 90o. Usando a Lei de Snell, sen I / sen R = n(água), com R = 90o e n(água) = 1,33, obtemos I = ângulo crítico = 49,75o.

Material

Aquário longo e raso.
Água, óleo vegetal de cozinha e álcool propílico (chamado "álcool de esfregar").
Laser simples, tipo apontador. Esses lasers são vendidos, hoje em dia, em lojas de presentes importados por uns 20 reais.
Um espelho plano longo.

Dicas

Derrame um pouco de leite na água do aquário para deixá-la ligeiramente turva. Isso facilita a visualização do feixe.
Junte essa experiência com outras sobre refração para um show completo. Consiga algumas fibras ópticas para mostrar aos espectadores. Explique a eles como a luz pode ser canalizada pela reflexão total dentro da fibra.