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PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 115 do ENEM PPL 2022

2º dia · Ciências da Natureza · H1 · Física: Reflexão total e dispersão da luz

Na área de comunicações, a demanda por grande volume de dados exige uma transmissão em alta frequência. Uma inovação nesse sentido foi o desenvolvimento da fibra óptica, que faz uso da luz como portadora de sinais. A fibra óptica é um meio de propagação da luz formada por duas camadas de vidro, com índices de refração diferentes. Considere que a camada externa da fibra apresente índice de refração n_2, e a camada interna, índice de refração n_1, como ilustrado na figura.

Diagrama esquemático das camadas da fibra óptica: a camada externa (superior, escura) com índice n₂ e a camada interna (inferior, clara) com índice n₁, contendo uma seta inclinada indicando a "Luz incidente" em direção à interface entre as duas camadas.

O objetivo dessa diferença é obter a condição de reflexão interna total do sinal óptico que se encontre na camada interna, de forma que ele se propague por toda a extensão da fibra.

A tecnologia envolvida na confecção das fibras ópticas deve garantir que o ângulo de refração e a relação entre n_1 e n_2 sejam, respectivamente,

  1. A
    45^\circ e n_2 < n_1.
  2. B
    nulo e n_2 > n_1.
  3. C
    nulo e n_2 < n_1.
  4. D
    90^\circ e n_2 > n_1.
  5. E
    90^\circ e n_2 < n_1.
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Resolução comentada

A reflexão interna total só acontece quando a luz passa de um meio para outro menos refringente e o ângulo de incidência supera o ângulo limite.

Pela lei de Snell:

n_1\,\sen\theta_1 = n_2\,\sen\theta_2
  1. A luz está na camada interna (n_1) e tenta passar para a externa (n_2).
  2. Para que \theta_2 possa chegar a 90^\circ, é preciso que \sen\theta_2 = \dfrac{n_1}{n_2}\sen\theta_1 \le 1 tenha solução com \theta_1 < 90^\circ. Isso exige n_1 > n_2: se n_2 fosse maior, o raio se aproximaria da normal e sempre refrataria, sem nunca reflexão total.
  3. No ângulo limite \theta_L, o raio refratado sai rasante à interface, ou seja, com ângulo de refração de 90^\circ em relação à normal:
\sen\theta_L = \frac{n_2}{n_1}
  1. Para ângulos de incidência maiores que \theta_L, não há mais refração e toda a luz é refletida de volta para a camada interna, seguindo pela fibra.

Portanto, a condição limite de refração é 90^\circ e a relação entre os índices é n_2 < n_1.

Alternativa E.

Por que as outras alternativas estão erradas

  • A45^\circ não é o ângulo de refração da condição limite, que é 90^\circ; só a relação n_2<n_1 está certa.
  • BÂngulo nulo é incidência normal, sem desvio, e n_2>n_1 impede a reflexão interna total.
  • CÂngulo de refração nulo corresponde à incidência perpendicular, que não gera reflexão total, embora n_2<n_1 esteja certo.
  • DO ângulo de 90^\circ está certo, mas n_2>n_1 inviabiliza a reflexão total, que exige ir para meio menos refringente.

Assuntos: Reflexão total e dispersão da luz, Refração da luz e lei de Snell.

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