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Questão 84 do ENEM 2010

1º dia · Ciências da Natureza · H1 · Física: Refração da luz e lei de Snell

Um grupo de cientistas liderado por pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), nos Estados Unidos, construiu o primeiro metamaterial que apresenta valor negativo do índice de refração relativo para a luz visível. Denomina-se metamaterial um material óptico artificial, tridimensional, formado por pequenas estruturas menores do que o comprimento de onda da luz, o que lhe dá propriedades e comportamentos que não são encontrados em materiais naturais. Esse material tem sido chamado de “canhoto”.

Disponível em: http://www.inovacaotecnologica.com.br. Acesso em: 28 abr. 2010 (adaptado).

Considerando o comportamento atípico desse metamaterial, qual é a figura que representa a refração da luz ao passar do ar para esse meio?

  1. A
    Diagrama com interface vertical do metamaterial e linha normal horizontal tracejada. A luz incidente vem da esquerda inferior e, ao atingir a interface, retorna para a esquerda superior.
  2. B
    Diagrama com interface vertical do metamaterial e linha normal horizontal tracejada. A luz incidente vem da esquerda inferior e segue para a direita superior, sem mudar de direção.
  3. C
    Diagrama com interface vertical do metamaterial e linha normal horizontal tracejada. A luz incidente vem da esquerda inferior e segue para a direita superior, mais próxima da normal.
  4. D
    Diagrama com interface vertical do metamaterial. A luz incidente vem da esquerda inferior e segue para a direita inferior após atingir a interface.
  5. E
    Diagrama com interface vertical do metamaterial e linha normal horizontal tracejada. A luz incidente vem da esquerda inferior e termina na interface, sem raio emergente indicado.
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Resolução comentada

Pela lei de Snell, n_1\,\sen\theta_1 = n_2\,\sen\theta_2. Com o ar como meio 1 (n_1>0) e o metamaterial com índice de refração relativo negativo (n_2<0), o produto n_2\,\sen\theta_2 tem de ser positivo para igualar o lado esquerdo. Como n_2<0, isso só acontece se \sen\theta_2<0.

O sinal negativo do seno significa que o ângulo de refração é medido para o outro lado da normal. Ou seja, o raio refratado não continua do lado oposto ao do raio incidente, como ocorre nos materiais comuns. Ele fica do mesmo lado da normal em que está o raio incidente, e a luz ainda atravessa a interface, sem ser refletida.

Na figura, a normal é a linha tracejada horizontal e a interface é vertical. O raio incide vindo de baixo, do lado esquerdo, portanto abaixo da normal. No material comum, o raio refratado iria para cima da normal, à direita. No metamaterial, ele deve continuar abaixo da normal, à direita.

Analisando as alternativas:

  1. A mostra reflexão, e não refração.
  2. B e C mostram o raio indo para cima da normal, como em materiais comuns (B sem desvio, C aproximando-se da normal).
  3. E não mostra raio emergente.
  4. D mostra o raio atravessando a interface e permanecendo abaixo da normal, do mesmo lado do raio incidente. É a refração negativa.

Alternativa D.

Pegadinha: As alternativas B e C enganam quem só pensa em refração comum, com o raio refratado do outro lado da normal; o índice negativo inverte esse lado.

Por que as outras alternativas estão erradas

  • ARepresenta reflexão da luz, não refração para dentro do metamaterial.
  • BMostra a luz atravessando sem desvio e do lado oposto da normal, o que não é refração negativa.
  • CMostra refração comum, com o raio do lado oposto da normal, típica de índice positivo.
  • ENão há raio refratado, como se a luz fosse absorvida, o que contradiz o enunciado.

Assunto: Refração da luz e lei de Snell.

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