Que no fenômeno da refração também ocorre reflexão;

As situações em que é possível ocorrer reflexão total;

Como determinar o ângulo limite de refração;

A relação entre reflexão total com a transmissão da informação em fibras ópticas.

Princípios da Óptica Geométrica;

Reflexão da luz;

Refração da luz;

Refringência;

Lei de Snell-Descartes.

Estratégias de ensino:

- Aula interativa com recursos de multimeios;

- Aula experimental demonstrativa ou participativa.

Consideração inicial ao professor:

A aula está dividida em duas etapas: a primeira será uma exposição teórica com uso de imagens e animações e a segunda uma atividade experimental na qual os alunos poderão simular o funcionamento de uma fibra óptica.

Materiais:

- Uma fonte laser;

- Um semicilindro de acrílico;

- Um bloco retangular de acrílico;

- Uma folha de papel branco;

- Um transferidor;

- Uma Régua.

Introdução a aula:

Inicie a aula relembrando os fenômenos de refração e reflexão.

Apresente para os alunos a figura 1 e pergunte que fenômenos ópticos estão presentes na imagem. Os alunos deverão perceber que está ocorrendo reflexão (já que é possível enxergar a imagem do garoto) e também refração (visto que é possível enxergar o fundo da poça).

Figura 1: Poça de água

Disponível em: http://viajeaqui.abril.com.br/national-geographic/sua-foto/sua-foto-julho-2009-481061.shtml?foto=16pc acesso em 08/09/2010 

Agora apresente a figura 2. Explique que se trata de um material chamado fibra óptica (fio fino e transparente feito de quartzo ou sílica). A luz passa de um lado ao outro sem escapar pelas laterais. Levante a questão sobre como é possível o material ser transparente como a água mas, não permitir que a luz escape pelas laterais. Comente que este fenômeno está relacionado com a reflexão total.

Figura 2: Fibra Óptica

Disponível em: http://3.bp.blogspot.com/_-ZRDu9NKCus/Sko8gOSaMCI/AAAAAAAAANY/qxiJiCm-Siw/s1600-h/fibra+optica.jpg acesso em 08/09/2010.

Reflexão Total

Para iniciar este conceito, você poderá trabalhar com a trajetória de um raio incidente em meios com diferentes refringências:

Figura 3: Primeiramente, considere o meio A menos refringente que o meio B – raio refratado aproxima-se da reta normal. Lembre-se de citar que ao incidir com ângulo de 90^o temos o ângulo limite de refração denominado L. Essa situação retoma os conceitos da Figura 1: Poça de água.

Figura 3: Incidência de raios partindo de um meio menos refringente

Figura 4: Agora considere o meio A mais refringente que o meio B – raio refratado se afasta da reta normal. Lembre-se de citar que ao incidir com um ângulo maior que o limite L, ocorrerá a reflexão total. Essa situação retoma os conceitos da Figura 2: Fibra óptica.

Figura 4: Incidência de raios partindo de um meio mais refringente

Apresente o vídeo a seguir que demonstra o comportamento dos raios incidentes, refratados e refletidos em um semicilindro de acrílico de acordo com a variação do ângulo de incidência.

Refração e Reflexão da Luz 

Recurso 1: Raios incidente, refletido e refratado

Disponível em: http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=20577 acesso em 13/09/2010.

Atividade 1 - Calculando matematicamente o ângulo limite

Você poderá apresentar para os alunos a dedução da equação do ângulo limite a partir da Lei de Snell-Descartes. Depois poderá trabalhar as questões que tratem sobre o cálculo do ângulo limite a partir da equação deduzida (sen L = n₂/n₁ onde L é o ângulo limite).

Exemplo 1: Considere dois meios A e B com índices de refração iguais a respectivamente 2 e 1. Qual deverá ser o sentido de propagação para que ocorra reflexão total e qual o valor do ângulo limite?

Exemplo 2: Um raio de luz monocromático incide em um líquido de índice de refração absoluto igual a 2^1/2. Determine o ângulo limite L da luz ao se propagar do líquido para o ar. Resposta: L = 45^o

Fibra Óptica

A imagem a seguir apresenta a condição de confinamento da luz propagante em uma fibra ótica, isto é, o ângulo limite dos raios de luz em relação à normal para que não refratem para o meio externo, atenuando o sinal.

 Figura 5: Condição de propagação da luz na fibra ótica

Disponível em: http://blog.clickgratis.com.br/pucmgfisica4/ acesso em 08/09/2010

Com as figuras abaixo, pode-se verificar como a fibra confina a luz (sinal óptico) em seu interior.

Figura 6: Propagação da luz em fibras ópticas

Disponível em: http://www.infoescola.com/fisica/fibra-optica/ acesso em 08/09/2010.

Figura 7: Trajetória da luz no interior de uma fibra óptica  

Disponível em: http://juanpablo2.vilabol.uol.com.br/reflexaototal/Reflexao08.htm acesso em 08/09/2010 

Atividade 2 - Laboratório experimental

O recurso que segue apresenta um roteiro experimental que objetiva simular o funcionamento de uma fibra óptica, a partir dos conceitos de reflexão interna estudados anteriormente. Os detalhes, como objetivos, materiais utilizados, procedimentos e avaliação, fazem parte do próprio recurso.

Reflexão total da luz 

Recurso 2: Experimento sobre reflexão total da luz (simulação de uma fibra óptica)

Disponível em: http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=14288 acesso 15/09/2010 

Atividade 3 - Pesquisa Avançada

Proponha aos alunos uma pesquisa sobre as diversas implicações e usos da fibra óptica. Peça para que eles apresentem os dados na forma de slides. Os trabalhos que tiverem uma boa apresentação podem ser colocados a disposição de outras turmas. É importante que os alunos citem vantagens do uso da fibra óptica, princípios de funcionamento e dados estatísticos sobre o uso da fibra óptica.

Seguem alguns links com informações sobre o assunto:

- http://www.rnp.br/newsgen/0203/fibras_opticas.html acesso em 20/10/2010;

- http://www.samsung.com/br/business/fiberoptics/ acesso em 20/10/2010. 

- http://www.cienciahoje.pt/index.php?oid=40085&op=all acesso em 20/10/2010. 

- http://www.agencia.fapesp.br/materia/11185/noticias/nobel-para-fibra-optica-e-semicondutores.htm acesso em 20/10/2010. 

Você pode trabalhar mais sobre a história, funcionamento e utilização da fibra óptica no site a seguir.

Disponível em: http://informatica.hsw.uol.com.br/fibras-opticas.htm acesso em 08/09/2010.

Os alunos serão avaliados durante as participações nas aulas e na entrega das atividades 1, 2 e da apresentação da pesquisa da atividade 3.

Verifique se eles conseguem explicar o funcionamento da fibra óptica e relacionar com o fenômeno da reflexão total.