Leis da Refração
Leis da Refração
Significado físico de refração
Considere dois meios homogêneos e transparentes 1 e 2, de índices de refração n1 e n2 e um raio de luz incidindo sobre a superfície de separação S entre esses meios.
No ponto onde o raio de luz incide sobre S traçamos a normal N a essa superfície.
Seja i o ângulo entre o raio incidente e a normal (figura 1).
Em seguida o raio se refrata e passa a se propagar no meio 2, sofrendo um desvio, mudando sua velocidade de propagação, e formando um ângulo r com a normal (figura 2).
Leis da refração
São duas:
Primeira lei da refração 
O raio incidente, a normal e o raio refratado estão num mesmo plano, ou seja, são coplanares.
Observe na figura acima onde esses raios e a normal N pertencem ao mesmo plano α.
As expressões acima nos mostram que quando a luz passar de um meio menos refringente (menor indice de refração) para um meio mais refringente (maior índice de refração), o ângulo de refração será menor que o ângulo de incidência (ele se aproxima da normal) e menor será a velocidade da luz nele. (veja figuras e procure memorizar essas informações)
Pelo princípio da reversibilidade (caminho inverso), quando a luz passa de um meio mais refringente para um menos refringente sua velocidade aumenta e ele se afasta da normal.
Desvio (d) na refração
O desvio (d) na refração corresponde ao ângulo entre o prolongamento do raio incidente e o raio refratado.(figura da esquerda)
No caso da incidência ser normal o raio de luz não sofre desvio e d=0. (figura da direita)
O que você deve saber, informações e dicas
Refração atmosférica
Como a atmosfera é mais densa nas camadas inferiores, nelas o índice de refração é maior que nas camadas superiores.
Como consequência, a luz proveniente de um astro, como por exemplo, o Sol, sofre desvio se
aproximando da normal até atingir os olhos do observador que tem a impressão de que ele está acima de sua posição real.
Pelo mesmo motivo, devido à variação da densidade do ar com a temperatura, temos a ilusão em dias quentes e secos, de poças de água, imagens de carros, de nuvens, etc., de miragens em desertos, pois o Sol em contato com o solo deixa o ar mais quente e consequentemente menos refringente que o ar das camadas superiores.
Isso faz com que os raios de luz sofram reflexão total em camadas próximas ao solo, subam e atinjam os olhos de um observador, que terá a impressão de que no solo existe um espelho fornecendo a imagem do objeto.
Observação: O fenômeno também pode acontecer embora menos frequentemente, nos mares em regiões frias, onde o ar “frio”, mais denso e mais refringente, fica na camada inferior.
À medida que a altura aumenta, o ar vai ficando mais quente, tornando-se menos denso e, portanto, menos refringente, afastando-se da normal e sofrendo os sucessivos desvios (refrações) apresentados na figura que, está fora de escala.
Cada refração é sempre acompanhada de reflexão que pode ou não ser reflexão total.
Assim, para um observador, a imagem do iceberg, pode aparecer acima da água, como se estivesse flutuando no ar e, onde estava o iceberg ele pode apenas enxergar água.
Reflexão e refração simultâneas
Quando ocorrer simultaneamente reflexão e refração, a normal N e a superfície de separação S dividem o plano que os contém em 4 quadrantes I, II, III e IV
O raio incidente e o raio refletido formam o mesmo ângulo Ɵ com a normal e estão em quadrantes adjacentes.
O raio incidente e o raio refratado estão em quadrantes opostos e formam ângulos diferentes com a normal.
Assim, r é o raio incidente, r’, o refletido e r’’ o refratado.
As expressões acima nos mostram que quando a luz passar de um meio menos refringente (menor indice de refração) para um meio mais refringente (maior índice de refração), o ângulo de refração será menor que o ângulo de incidência (ele se aproxima da normal) e menor será a velocidade da luz nele. (veja figuras e procure memorizar essas informações)
Pelo princípio da reversibilidade (caminho inverso), quando a luz passa de um meio mais refringente para um menos refringente sua velocidade aumenta e ele se afasta da normal.
Desvio na refração
O desvio (d) na refração corresponde ao ângulo entre o prolongamento do raio incidente e o raio refratado.(figura da esquerda)
No caso da incidência ser normal o raio de luz não sofre desvio e d=0. (figura da direita)
Princípio de Fermat
A luz se propaga entre dois pontos (no caso, X e Y), saindo de X, sofrendo refração sem que haja reflexão e atinge Y, no menor tempo possível.
A duração do dia terrestre é ligeiramente maior devido a refração da luz solar na atmosfera.
Isso ocorre porque à medida que os raios de luz provenientes do Sol penetram na atmosfera da Terra, vão encontrando camadas de ar cada vez mais densas, mais refringentes e de maiores
índices de refração e aproximam-se cada vez mais da normal sofrendo os desvios mostrados na figura.
Esses desvios fazem com que a imagem que se observa do Sol ao amanhecer e ao anoitecer encontra-se acima de sua real posição, tomando-se como referência o horizonte.
Se não houvesse refração na atmosfera você veria o Sol real por menos tempo e, com a refração, por mais tempo.
Exercícios interessantes:
01– Numa loja, são vendidos aquários em forma de prismas retos com bases em forma de “L”. O vigia da loja gosta de assistir uma grande TV plana situada numa parede distante, na sua frente. O problema é que na linha de visada entre o posto do vigia e o centro da TV há uma coluna atrapalhando.
Um dia, o vigia percebeu que esta coluna, embora fosse suficientemente larga para atrapalhar a visão da TV, era suficientemente estreita para torna-la invisível para ele, mediante o posicionamento certo de dois aquários cheios de água.
As figuras “A”, “B” e “C”, abaixo, mostram (em vista superior) três formas de dispor os aquários entre o vigia e a TV.
Após analisar como os raios de luz que partem da TV (mostrados na figura) mudam de direção ao passarem do ar para a água dos aquários e de volta para o ar, é correto concluir que as disposições dos aquários, que permitem ao vigia observar a TV, através da água transparente dos aquários, como se a coluna não estivesse lá, são:
Resolução: Observe nas figuras A e B onde foram traçados raios de luz (em vermelho) que, quando eles se refratam do ar (menos refringente) para a água (mais refringente) eles se aproximam da normal (em amarelo) e apenas a figura A satisfaz, pois nela os raios de luz chegam aos olhos do vigia.
A figura C também não satisfaz, pois quando os raios de luz incidem perpendicularmente à superfície de separação eles se refratam sem sofrer desvio com a imagem da TV não atingindo os olhos do observador.
R- B
02– Dois sistemas óticos, D1 e D2, são utilizados para analisar uma lâmina de tecido biológico a partir de direções diferentes.
Em uma análise, a luz fluorescente, emitida por um indicador incorporado a uma pequena estrutura, presente no tecido, é captada, simultaneamente, pelos dois sistemas, ao longo das direções tracejadas. 
Levando-se em conta o desvio da luz pela refração, dentre as posições indicadas, aquela que poderia corresponder à localização real dessa estrutura no tecido é:
Suponha que o tecido biológico seja transparente à luz e tenha índice de refração uniforme, semelhante ao da água.
Resolução: A resposta só pode estar entre as alternativas A, D ou C, pois D1 capta a luz emitida na vertical onde não sofre desvio (incidência normal), assim o indicador só pode estar na vertical. Quando se refrata do vidro (água) para o ar a luz sofre desvio, se afastando da normal, até atingir D2. A única alternativa que satisfaz é a C.