Questão 53, caderno azul do ENEM 2015

Certos tipos de superfícies na natureza podem refletir luz de forma a gerar um efeito de arco-íris. Essa característica é conhecida como iridescência e ocorre por causa do fenômeno da interferência de película fina. A figura ilustra o esquema de uma fina camada iridescente de óleo sobre uma poça d’água. Parte do feixe de luz branca incidente (1) reflete na interface ar/óleo e sofre inversão de fase (2) , o que equivale a uma mudança de meio comprimento de onda. A parte refratada do feixe (3) incide na interface óleo/água e sofre reflexão sem inversão de fase (4). O observador indicado enxergará aquela região do filme com coloração equivalente à do comprimento de onda que sofre interferência completamente construtiva entre os raios (2) e (5) , mas essa condição só é possível para uma espessura mínima da película. Considere que o caminho percorrido em (3) e (4) corresponde ao dobro da espessura E da película de óleo.

Expressa em termos do comprimento de onda (λ), a espessura mínima é igual a

A) λ / 4.

B) λ / 2.

C) 3λ / 4.

D) λ.

E) 2λ.

Resolução em texto

📘 Matérias Necessárias para a Solução da Questão: Física (Ondulatória – Interferência de Película Fina).

📔 Nível da Questão: Médio-Difícil (ENEM).

✅ Gabarito: A) λ / 4.

🎯 Tema/Objetivo Geral: Determinar a espessura mínima de uma película de óleo para que ocorra interferência construtiva da luz visível.


🔹 Passo 1: Análise do Comando e Definição do Objetivo

1.1. Comando Essencial
📌 “Expressa em termos do comprimento de onda (λ), a espessura mínima é igual a…”

1.2. O que está sendo pedido?
📌 Encontrar a menor espessura E da película que faz com que haja interferência construtiva observável.

1.3. Palavras-chave
📌 Espessura mínima, interferência construtiva, mudança de fase, película fina, caminho óptico.

1.4. Objetivo Cristalino
📌 Calcular o valor de E em função de λ, respeitando que o caminho óptico gera interferência construtiva mesmo com uma inversão de fase no raio refletido.

1.5. Dica Geral
📌 ⚠️ Sempre que houver uma inversão de fase em uma das reflexões (como acontece na interface ar/óleo), o critério de interferência construtiva muda: precisamos considerar um deslocamento de meia onda extra!

✔ Pergunta de Atenção
Você já percebeu que a inversão de fase na primeira reflexão altera o critério para interferência construtiva? Vamos destrinchar isso!


🔹 Passo 2: Explicação de Conceitos e Conteúdos Necessários

2.1. Inversão de Fase na Reflexão

  • Quando a luz reflete de um meio menos refringente para um mais refringente (ex.: ar → óleo), ocorre uma inversão de fase de λ/2.
  • Na segunda reflexão (óleo → água), não ocorre inversão, pois o índice de refração do óleo é maior que o da água.

2.2. Interferência Construtiva com Inversão

📌 Quando há uma inversão de fase em apenas um dos caminhos:

  • Para ocorrer interferência construtiva, o caminho óptico extra (ida e volta) deve satisfazer:

2E = (m + 0,5) × λ’

Onde:

  • E é a espessura da película.
  • λ’ é o comprimento de onda da luz no meio da película (aqui, aproximadamente λ, pois o enunciado não pede ajuste para índice de refração).
  • m = 0 para a espessura mínima.

Ou seja, para a espessura mínima:

2E = (0 + 0,5) × λ = λ/2

Logo:

E = λ/4


2.3. Dúvida Comum (ÚNICA)
📌 “Professor, não seria λ/2 direto para interferência construtiva?”
Resposta: Não neste caso! ❗
Quando há uma inversão de fase, a condição de interferência construtiva muda: precisamos de um acréscimo de meio comprimento de onda.

✔ Pergunta de Atenção
Agora entendeu que a inversão de fase exige o fator (m + 0,5) para interferência construtiva? Vamos interpretar a situação no diagrama!


🔹 Passo 3: Tradução e Interpretação do Texto e Figura

3.1. Análise da figura

  • O raio (2) sofre inversão ao refletir da superfície óleo/ar.
  • O raio (5) reflete na interface óleo/água sem inversão.

3.2. Caminho Óptico

📌 O caminho óptico relevante é o dobro da espessura: ida e volta.

3.3. Aplicação direta

📌 Para interferência construtiva com inversão de fase:

2E = (m + 0,5) × λ
Para espessura mínima (m = 0):

2E = 0,5 λ
E = λ/4


🔹 Passo 4: Desenvolvimento do Raciocínio

4.1. Caminho Lógico

  1. Reflexão com inversão de fase na primeira interface.
  2. Reflexão sem inversão de fase na segunda interface.
  3. Caminho óptico total de ida e volta = 2E.
  4. Condição para interferência construtiva: 2E = (m + 0,5) λ.
  5. Para m = 0 (menor espessura): E = λ/4.

4.2. Lógica Interpretativa

📌 A inversão de fase exige ajustar a condição de interferência construtiva para incluir o acréscimo de meio comprimento de onda.

4.3. Ilustração Didática

📌 (Pense em dois corredores saindo juntos: um deles tropeça e atrasa meio percurso; para se encontrarem perfeitamente no final, o outro também precisa fazer um percurso ajustado.)

✔ Pergunta de Atenção
Você viu que não basta considerar só o caminho óptico? É preciso corrigir a fase! Vamos confirmar a alternativa!


🔹 Passo 5: Análise das Alternativas e Resolução

  • A) λ/4.
    ✅ Correto! Espessura mínima que satisfaz interferência construtiva com inversão de fase.
  • B) λ/2.
    ❌ Errado. Seria se não houvesse inversão.
  • C) 3λ/4.
    ❌ Errado. Valor acima da espessura mínima.
  • D) λ.
    ❌ Errado. Espessura muito maior que a necessária.
  • E) 2λ.
    ❌ Errado. Ainda maior.

🔹 Passo 6: Conclusão e Justificativa Final

6.1. Resumo do Raciocínio
📌 A condição para interferência construtiva em película fina com uma inversão de fase leva à espessura mínima de E = λ/4.

6.2. Reafirmação da Alternativa Correta
✅ A alternativa correta é A) λ/4.

6.3. 🔍 Resumo Final para Revisão
Quando há uma inversão de fase e queremos interferência construtiva, a espessura mínima da película é um quarto do comprimento de onda da luz envolvida.

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