Questão 115 do ENEM 2022 — Ciências da Natureza

ENEM 2022Ciências da NaturezaPPL

Na área de comunicações, a demanda por grande volume de dados exige uma transmissão em alta frequência. Uma inovação nesse sentido foi o desenvolvimento da fibra óptica, que faz uso da luz como portadora de sinais. A fibra óptica é um meio de propagação da luz formada por duas camadas de vidro, com índices de refração diferentes. Considere que a camada externa da fibra apresente índice de refração $n_2$, e a camada interna, índice de refração $n_1$, como ilustrado na figura. <\/p><\/div><\/div>

Esquema mostrando duas camadas de uma fibra óptica. A camada superior é escura com o rótulo n2. A camada inferior é clara com o rótulo n1 e mostra um raio de luz incidente partindo da base e indo em direção à interface entre as camadas.

<\/div><\/div>

O objetivo dessa diferença é obter a condição de reflexão interna total do sinal óptico que se encontre na camada interna, de forma que ele se propague por toda a extensão da fibra.<\/p><\/div><\/div><\/section>

A tecnologia envolvida na confecção das fibras ópticas deve garantir que o ângulo de refração e a relação entre $n_1$ e $n_2$ sejam, respectivamente,

$45^\circ$ e $n_2 < n_1$.

nulo e $n_2 > n_1$.

nulo e $n_2 < n_1$.

$90^\circ$ e $n_2 > n_1$.

$90^\circ$ e $n_2 < n_1$.

Resposta correta

Gabarito oficial: alternativa E

Resolução comentada

O Princípio da Fibra Óptica

Para entender como uma fibra óptica funciona, precisamos lembrar do fenômeno da reflexão interna total. O objetivo da fibra é fazer com que o sinal luminoso (a luz) viaje por dentro do seu núcleo (a camada interna) sem "vazar" para a casca (a camada externa). Para que isso aconteça, a luz que tenta passar do núcleo para a casca deve ser totalmente refletida de volta para o núcleo.

Condições para a Reflexão Interna Total

A reflexão interna total só ocorre se duas condições fundamentais forem atendidas na interface entre os dois meios:

Relação entre os índices de refração: A luz deve estar viajando de um meio mais refringente (maior índice de refração) para um meio menos refringente (menor índice de refração). No caso da fibra óptica, a luz está na camada interna ( $n_1$ ) e não queremos que ela passe para a camada externa ( $n_2$ ). Portanto, o índice de refração do núcleo deve ser obrigatoriamente maior que o da casca. Matematicamente, temos $n_1 > n_2$ , o que é o mesmo que escrever $n_2 < n_1$ .
O Ângulo Limite: Pela Lei de Snell-Descartes, quando a luz passa de um meio mais refringente para um menos refringente, o raio refratado se afasta da reta normal. Conforme aumentamos o ângulo de incidência, o ângulo de refração também aumenta. O limite extremo para que a refração ainda ocorra é quando o raio refratado sai "raspando" a superfície de separação entre os dois meios. Nesse exato momento, o ângulo de refração é de $90^\circ$ .

O ângulo de incidência que causa essa refração de $90^\circ$ é chamado de ângulo limite (ou ângulo crítico). Para que ocorra a reflexão interna total (e a luz fique presa na fibra), a luz deve incidir com um ângulo maior que esse ângulo limite. A tecnologia de confecção da fibra óptica é projetada justamente com base nessa condição limite, garantindo que a geometria da fibra e a forma como a luz entra nela superem esse ponto onde o ângulo de refração seria de $90^\circ$ .

Conclusão

Analisando as exigências físicas para que o fenômeno da reflexão interna total seja possível, a tecnologia deve garantir que a condição limite para o ângulo de refração seja de $90^\circ$ e que a relação entre os índices dos materiais seja $n_2 < n_1$ .

Observando as alternativas, a única que apresenta essas duas condições corretamente é a alternativa E.

Ainda com dúvida nesta questão?

Crie sua conta gratuita e peça ao Darwin, o tutor de IA do Alvo, para explicar do seu jeito — e treine questões como esta na sua trilha adaptativa.

Fonte: prova oficial do ENEM 2022 (INEP). Resolução comentada pela equipe do Alvo ENEM.