Toolyard

Simulador de refração e reflexão interna total

Equações desta simulação

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂
n₁Material onde a luz começa (n₁)o índice de refração: quantas vezes mais devagar a luz viaja ali do que no vácuo
n₂Material em que ela entra (n₂)no comprimento de onda escolhido, então muda um pouco com a cor
θ₁Ângulo de incidência θ₁ (°)medido a partir da normal, a linha tracejada perpendicular à superfície, não a partir da superfície
θ₂ângulo de refraçãomenor que θ₁ ao entrar num material mais denso (o raio se aproxima da normal), maior ao sair de um

Com os valores atuais:

v = c ÷ n
vvelocidade da luz no segundo materialc = 299.792 km/s; os pontos em movimento desaceleram por esse fator, e essa mudança de velocidade é o que desvia o raio

Com os valores atuais:

sin θ_c = n₂ ÷ n₁
θ_cângulo críticosó existe ao passar de um material mais denso para um menos denso (n₁ maior que n₂); além dele nenhuma luz atravessa e toda é refletida

Com os valores atuais:

tan θ_B = n₂ ÷ n₁
θ_Bângulo de Brewstera luz polarizada no plano de incidência não é refletida aqui, então o reflexo fica totalmente polarizado; óculos de sol polarizados usam isso

Com os valores atuais:

R = ½ (r_s² + r_p²), r_s = (n₁ cos θ₁ − n₂ cos θ₂) ÷ (n₁ cos θ₁ + n₂ cos θ₂), r_p = (n₂ cos θ₁ − n₁ cos θ₂) ÷ (n₂ cos θ₁ + n₁ cos θ₂)
Rfração da luz refletidaas equações de Fresnel, para luz não polarizada; o resto, T = 1 − R, atravessa. O gráfico as mostra em função do ângulo

Com os valores atuais:

n(λ) = A + B ÷ λ²
λComprimento de onda λ (nm)fórmula de Cauchy: a luz violeta vê um índice maior que a vermelha, então se desvia mais, e por isso um prisma forma um espectro

Com os valores atuais:

n₂ ÷ n₁ = sin((A + δ_min) ÷ 2) ÷ sin(A ÷ 2)
AÂngulo do vértice do prisma A (°)o ângulo na ponta do prisma
δdesvioquanto o feixe gira em relação à direção original; é mínimo, δ_min, quando o raio atravessa o prisma de forma simétrica

Com os valores atuais:

NA = √(n₂² − n₁²) = n₁ sin θ_max
θ_maxângulo de aceitação da fibraa luz que entra pela ponta da fibra a mais que este ângulo do eixo bate na lateral abaixo do ângulo crítico e escapa

Com os valores atuais:

Como usar o simulador de refração

  1. Escolha o material onde a luz começa e o material em que ela entra, e ajuste o ângulo de incidência. O feixe desvia na fronteira pela lei de Snell, um feixe refletido fraco volta e os pontos brancos mostram a luz desacelerando no material mais denso. A linha tracejada é a normal, a partir da qual todos os ângulos são medidos.
  2. Comece na água, no vidro ou no diamante, entre no ar e aumente o ângulo. O feixe refratado se deita em direção à superfície e enfraquece, e além do ângulo crítico desaparece: toda a luz é refletida. Marque Varrer o ângulo para ver isso acontecer e acompanhe a parte refletida no gráfico, que também marca o ângulo de Brewster, onde a luz polarizada no plano de incidência não é refletida.
  3. Mude para o prisma e marque Luz branca para separar um feixe em suas cores, ou para a fibra óptica para ver a luz presa por reflexão interna total e escapando quando entra inclinada demais. Para lentes e espelhos, o Simulador de lentes e espelhos desenha diagramas de raios.

Perguntas frequentes

O que é a lei de Snell?

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂: o índice de refração vezes o seno do ângulo em relação à normal é igual dos dois lados de uma fronteira. O índice n diz quantas vezes mais devagar a luz viaja no material do que no vácuo, 1,33 na água e cerca de 1,5 no vidro, então a luz que passa do ar para o vidro se aproxima da normal.

O que é o ângulo crítico?

O ângulo de incidência a partir do qual a luz não consegue sair de um material mais denso: sin θ_c = n₂ ÷ n₁. É de 48,6° da água para o ar, cerca de 41° do vidro e 24,4° do diamante, cujo pequeno ângulo crítico prende a luz dentro de uma pedra lapidada e a faz brilhar. Além dele, toda a luz é refletida: reflexão interna total.

Por que um prisma separa a luz branca?

O índice de refração do vidro é um pouco maior para a luz violeta do que para a vermelha (dispersão), então o violeta desvia mais em cada face. No vidro crown o índice vai de cerca de 1,531 a 400 nm até 1,513 a 700 nm, o bastante para abrir a saída de um prisma de 60° em cerca de 2°. A simulação usa a fórmula de Cauchy n = A + B ÷ λ² para cada material.

Como as fibras ópticas conduzem a luz?

Por reflexão interna total: a luz percorre um núcleo de vidro cercado por um material de índice menor e bate na lateral sempre além do ângulo crítico, então nada escapa. Ela precisa entrar dentro do ângulo de aceitação, definido pela abertura numérica NA = √(n_núcleo² − n_casca²). Fibras reais têm uma casca com índice só cerca de 1 % menor que o núcleo, o que dá ângulos de aceitação de cerca de 12°.

Diz que o WebGL está desativado.

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Alguma coisa é enviada?

Não. A simulação é desenhada pelo seu próprio navegador com WebGL; nada é enviado a lugar nenhum, e ela continua funcionando offline depois que a página carrega.

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