Conteúdos
Refração.
Reflexão total.
Fibras ópticas.
Objetivos
Este roteiro trata do fenômeno da reflexão total da luz e comenta sua aplicação tecnológica nas fibras ópticas. Nele espera-se que o aluno compreenda que o fenômeno da refração pode dar lugar à reflexão total da luz sob certas circunstâncias e que, tanto na natureza quando nas aplicações tecnológicas, essa reflexão total gera fenômenos fascinantes que vão da formação do arco-íris à transmissão de dados em altíssima velocidade por meio de fibras ópticas.
1ª Etapa: Início de Conversa
Muitas vezes o fenômeno da reflexão total da luz é apenas comentado com os alunos nas aulas de refração ao se tratar do ângulo limite, sem uma maior atenção ao fato de que há diversas situações do cotidiano onde essa reflexão total está presente e é importante.
Nessa atividade vamos tratar do fenômeno da reflexão total também do ponto de vista qualitativo e apresentar algumas aplicações interessantes e importantes do fenômeno. Propomos também uma atividade experimental onde o aluno pode vivenciar o fenômeno de forma bastante instigante.
2ª Etapa: Problematização e sensibilização
Nessa etapa o professor deve apresentar o tema de estudo, “Reflexão total”, e estimular um debate rápido sobre o que os alunos pensam sobre o tema. Algumas perguntas podem orientar esse debate e ajudar em uma diagnose dos conhecimentos prévios dos alunos:
1. Será que a luz pode seguir um caminho curvo ou somente linhas retas?
2. O que “passa” por uma fibra óptica usada em telecomunicações?
3. Será possível refletir a luz sem usar um espelho?
4. Será que o arco-íris tem algo em comum com a internet?
5. Para que serve uma fibra óptica?
É importante que nesse momento os alunos tenham a palavra e que as suas dúvidas sejam anotadas e não respondidas. O objetivo é despertar a curiosidade, o interesse e diagnosticar o que os alunos já sabem e o que precisam saber ou aperfeiçoar.
3ª Etapa: Apresentando o fenômeno da reflexão total
Nessa etapa sugerimos que o professor apresente o vídeo “Como funciona a fibra óptica”, disponível na seção “Para Organizar o seu Trabalho e Saber Mais”, como motivação para os alunos e introdução ao tema. Em seguida o professor pode apresentar o vídeo “Entenda os conceitos da fibra óptica”, disponível na mesma seção, ou pode apresentar os conceitos de reflexão total interna a partir de outros materiais.
É importante também que, seja lá qual for a opção feita pelo professor, seja feita uma revisão no que for necessário sobre os conceitos de refração necessários para se tratar a reflexão total interna como caso particular da refração.
A atividade prática de construçao de uma “fibra óptica de água”, descrita no Roteiro de Experimentação, deve sevir para a finalização da aula.
4ª Etapa: Discussão da atividade prática e avaliação da aprendizagem
Nessa etapa o professor pode fazer um fechamento abrindo uma discussão sobre a atividade prática vivenciada pelos alunos.
Para isso sugerimos que o professor divida a classe nos mesmos grupos que fizeram a atividade prática e proponha as questões abaixo:
1. Que dificuldades vocês encontraram para realizar esse experimento? [Algumas possibilidades: encontrar um diâmetro para o furo onde a água forme um filete contínuo, fazer a água escoar pelo furo com a garrafa tampada, acertar a direção do laser no furo da garrafa, observar a luz conduzida pela água devido a iluminação da sala, etc.]
2. Por que a água funciona como uma fibra óptica? [A água é transparente, mais refringente que o ar e os ângulos de incidência da luz na superfície de separação água-ar são menores que o ângulo limite.]
3. Dado que o índice de refração do ar é 1 e o da água pura é 1,33, usando a expressão abaixo determine o ângulo limite para a incidência do raio de luz na paede interna do filete de água a fim de ocorrer a reflexão total.
[Aproximadamente 16,6°]
4. O que ocorre quando colocamos uma gota de leite ou corante na água? [Aumenta a dispersão da luz e a “fibra óptica de água” perde um pouco de sua qualidade de transmissão.]
5. Será que esse experimento daria certo com óleo? O que poderíamos esperar como resultado? [O óleo dispersa mais a luz, mas também é mais refringente que o ar, logo, funcionaria.]
Ao final dessa discussão esperamos que os alunos tenham refletido sobre o experimento que fizeram e chegado à conclusão de que é possível construir fibras óticas com muitos materiais, mas que é preciso que eles sejam transparentes, mais refringentes que o meio onde estarão imersos e flexivéis para que a luz possa fazer curvas. Esperamos também que os alunos tenham fixado melhor o conceito de reflexão total e sejam capazes de responder, ou partir em busca das respostas, as questões propostas inicialmente na seção Problematização e Sistematização.
5ª Etapa: Finalização
Para a finalização dessa aula sugerimos que o professor leve os alunos à sala de informática e proponha que, em duplas, realizem um pesquisa em busca de outras situações onde a reflexão total interna está presente.
Como sugestão de buscas temos:
– uso da fibra óptica na transmissão de dados, redes de computadores e telefonia;
– usa da fibra ótica na medicina;
– fenômenos da natureza onde ocorre naturalmente a reflexão total;
– prismas de reflexão total e seus usos (sinalização de trânsito, telescópicos, espectroscopia…)
Cada grupo pode pesquisar sobre o tema na forma de notícias, artigos, imagens e vídeos, material didático, etc. Após a pesquisa os grupos devem organizar as informações encontradas sobre o tema escolhido por eles e transforma-la em uma apresentação que pode ser na forma de texto, slides, gravação de som ou vídeo. Também podem ser pesquisados e reproduzidos experimentos e demonstrações.
Materiais Relacionados
1. Vídeo (1:18), “Bending the light” (“Curvando a luz”): experimento de física com materiais simples mostrando o efeito de reflexão total interna utilizado na tecnologia de transmissão de dados por fibra óptica;
2. Vídeo, “Como funciona a fibra óptica”: série de três vídeos curtos mostrando o funcionamento das fibras óticas, sua importância e algumas de suas utilizações.
– parte 1 (1:47);
– parte 2 (1:29);
– parte 3 (2:07);
3. Vídeo (5:26), “Entenda os conceitos da fibra óptica”: vídeo apresentando a “física” da fibra óptica por meio da óptica geométrica e do estudo da refração;
4. Roteiro de Experimentação;