OBF 2024 (1ª fase, Nível I) — questão 14 de Física
Enunciado em texto
Um arco-íris é um fenômeno ótico causado pela incidência da luz solar em gotículas de água suspensas no ar. O fenômeno ocorre sempre que o Sol está atrás e acima do observador, com o Sol em baixa altitude angular (final ou início do dia) e com as gotículas de água à frente do observador.
[Foto: um jato de água lançado para o alto sobre um lago, com árvores ao fundo e um guarda-corpo em primeiro plano; nas gotículas do jato aparece um arco-íris colorido.]
Considerando os fenômenos óticos no interior das gotículas, a melhor explicação para a formação do arco-íris descrito no texto é:
(a) a refração causa a dispersão e o desvio da luz em direção ao observador.
(b) a reflexão causa a dispersão e o desvio da luz em direção ao observador.
(c) a refração causa a dispersão da luz e a transmissão desvia a luz em direção ao observador.
(d) a refração causa a dispersão da luz e a reflexão total desvia a luz em direção ao observador.
(e) a transmissão causa a dispersão da luz e a reflexão total desvia a luz em direção ao observador.
(Enunciado e figura: Olimpíada Brasileira de Física 2024, 1ª fase, Nível I — SBF.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à Sociedade Brasileira de Física (SBF), Olimpíada Brasileira de Física.
Resolução comentada
O que a questão pede: qual fenômeno separa as cores e qual fenômeno manda a luz de volta para o observador.
Passo 1 — quem separa as cores: a refração. Ao entrar na gota (e de novo ao sair), a luz muda de direção, porque muda de velocidade ao passar do ar para a água. Cada cor tem um índice de refração um pouco diferente na água e desvia um pouco diferente: o violeta desvia mais que o vermelho. Essa separação das cores é a dispersão, e quem a causa é a refração.
Passo 2 — quem manda a luz de volta: a reflexão. O Sol está atrás do observador e as gotas à frente. Para a luz chegar aos olhos, ela tem de entrar na gota e voltar mais ou menos no sentido de onde veio. Só uma reflexão na parede do fundo da gota faz esse retorno. Refração e transmissão apenas deixam a luz seguir em frente, desviada, para longe do observador.
Passo 3 — juntar. A luz refrata (e se dispersa) ao entrar, reflete no fundo da gota e refrata de novo ao sair, voltando para o observador. A única alternativa com refração para a dispersão e reflexão para o retorno é a (D).
Uma ressalva honesta: a reflexão no fundo da gota, no arco-íris, não é reflexão total no sentido rigoroso (a maior parte da luz até escapa pelo fundo da gota; só uma parte é refletida). Mesmo assim, a (D) é a única que atribui as funções certas a cada fenômeno, e é ela a melhor explicação entre as oferecidas.
Por que não as outras: (A) e (C) só usam refração e transmissão, que não fazem a luz voltar para o lado do Sol; (B) atribui a dispersão à reflexão, mas a reflexão não separa as cores (o ângulo de reflexão é igual ao de incidência para todas elas); (E) atribui a dispersão à transmissão, quando quem separa as cores é a mudança de direção na refração.
⚠️ A armadilha: a (A). A refração de fato separa as cores, mas sozinha não explica por que vemos o arco-íris de costas para o Sol: falta a reflexão que faz a luz dar meia-volta dentro da gota.
A ideia em uma frase: a refração separa as cores; a reflexão no fundo da gota devolve a luz para quem está de costas para o Sol.
Resposta: alternativa D (refração dispersa; reflexão devolve a luz ao observador).
Vídeo em breve
A resolução em vídeo desta questão ainda não foi gravada. A explicação escrita acima está completa, passo a passo. Novos vídeos saem no canal do Professor Filatte.
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