The construction and operation of a simple didactic device is presented, designed to detect water droplets (rain), from the total internal reflection of light. The device is simple to construct, low cost, and can be used even in environments with large numbers of students.

Keywords:
rain sensor; total internal reflection; optics

Authorship

Francisco Catelli ^**Endereço de correspondência: fcatelli@ucs.br.

Universidade de Caxias do Sul, Programa de Pós Graduação em Ensino de Ciências e Matemática, Caxias do Sul, RS, BrasilUniversidade de Caxias do SulBrasilCaxias do Sul, RS, BrasilUniversidade de Caxias do Sul, Programa de Pós Graduação em Ensino de Ciências e Matemática, Caxias do Sul, RS, Brasil

https://orcid.org/0000-0002-2484-7711

Alexandre Mesquita

^*Endereço de correspondência: fcatelli@ucs.br.

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Figura 1
Na figura à esquerda, o ângulo de incidência é menor que o ângulo crítico. São representados o raio incidente (que forma um ângulo

θ_{i}

com a normal), o raio refletido

(θ_{r} = θ_{i})

e o raio refratado ou transmitido (que forma um ângulo

θ_{t}

com a normal). Na figura central,

θ_{t} = 90 °

, e

θ_{i}

passa a ser denominado de ângulo crítico

(θ_{crit})

. Por fim, se o ângulo de incidência excede o ângulo crítico, como na figura da direita, não há mais raio transmitido, e ocorre apenas a reflexão.

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Figura 2
À esquerda, um raio de luz incide numa interface acrílico – ar. Esse ângulo é de 45°, maior que o ângulo limite de 41,8°, e então ocorre apenas reflexão, não existindo raio transmitido para o ar. Na figura da direita o segundo meio, em vez de ar, é água. O ângulo de incidência permanece o mesmo, 45° mas dessa vez há um raio transmitido, sob um ângulo de 52,9°.O sinal recebido por um detector D é máximo na figura da esquerda, e cai consideravelmente na figura da direita.

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Figura 3
Considere a interface acrílico - ar da face superior, horizontal, do prisma, na imagem à esquerda. O feixe de laser incide nessa interface formando um ângulo de 45° em relação à normal (veja também a figura 2), e assim é completamente refletido. Na imagem da direita, um pingo d'água faz com que a interface agora separe o acrílico da água, e o ângulo crítico (antes 41,8° passa a ser 52,5°. Então, passa a existir um raio transmitido, e o raio refletido, que persiste, sob o mesmo ângulo, perde muito de sua intensidade inicial.

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(1)

Figura 1 Na figura à esquerda, o ângulo de incidência é menor que o ângulo crítico. São representados o raio incidente (que forma um ângulo $θ_{i}$ com a normal), o raio refletido $(θ_{r} = θ_{i})$ e o raio refratado ou transmitido (que forma um ângulo $θ_{t}$ com a normal). Na figura central, $θ_{t} = 90 °$ , e $θ_{i}$ passa a ser denominado de ângulo crítico $(θ_{crit})$ . Por fim, se o ângulo de incidência excede o ângulo crítico, como na figura da direita, não há mais raio transmitido, e ocorre apenas a reflexão.

Figura 2 À esquerda, um raio de luz incide numa interface acrílico – ar. Esse ângulo é de 45°, maior que o ângulo limite de 41,8°, e então ocorre apenas reflexão, não existindo raio transmitido para o ar. Na figura da direita o segundo meio, em vez de ar, é água. O ângulo de incidência permanece o mesmo, 45° mas dessa vez há um raio transmitido, sob um ângulo de 52,9°.O sinal recebido por um detector D é máximo na figura da esquerda, e cai consideravelmente na figura da direita.

Figura 3 Considere a interface acrílico - ar da face superior, horizontal, do prisma, na imagem à esquerda. O feixe de laser incide nessa interface formando um ângulo de 45° em relação à normal (veja também a figura 2), e assim é completamente refletido. Na imagem da direita, um pingo d'água faz com que a interface agora separe o acrílico da água, e o ângulo crítico (antes 41,8° passa a ser 52,5°. Então, passa a existir um raio transmitido, e o raio refletido, que persiste, sob o mesmo ângulo, perde muito de sua intensidade inicial.

(1)

n_{1} s i n θ_{i} = n_{2} s i n θ_{t}

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