Óptica:
A luz, ou luz visível como é fisicamente caracterizada, é uma forma de energia radiante. É o agente físico que, atuando nos órgãos visuais, produz a sensação da visão.
Hoje sabemos que a luz é composta por diminutas partículas. Tais partículas são denominadas de fótons. Sempre que você estiver em contato com a luz, qualquer luz (do Sol, das estrelas, da lâmpada elétrica etc.) você estará em contato com essas partículas elementares. Essas partículas, os fótons, estão em todo o Universo com certeza e em todas as suas regiões com a mesma abundância. Eles são muito numerosos no Universo. Excedem em muito as demais partículas.
Na realidade, quando falamos dos fótons estamos falando não de um ou dois, mas de bilhões e bilhões.
Hoje sabemos que a luz é composta por diminutas partículas. Tais partículas são denominadas de fótons. Sempre que você estiver em contato com a luz, qualquer luz (do Sol, das estrelas, da lâmpada elétrica etc.) você estará em contato com essas partículas elementares. Essas partículas, os fótons, estão em todo o Universo com certeza e em todas as suas regiões com a mesma abundância. Eles são muito numerosos no Universo. Excedem em muito as demais partículas.
Na realidade, quando falamos dos fótons estamos falando não de um ou dois, mas de bilhões e bilhões.
Fundamentos:
- Divisões da Óptica:
Óptica Física: estuda os fenômenos ópticos que exigem uma teoria sobre a natureza das ondas eletromagnéticas.
Óptica Geométrica: estuda os fenômenos ópticos em que apresentam interesse as trajetórias seguidas pela luz. Fundamenta-se na noção de raio de luz e nas leis que regulamentam seu comportamento. O estudo em nível de Ensino Médio restringe-se apenas a esta parte da óptica.
- Fontes de luz:
Tudo o que pode ser detectado por nossos olhos, e por outros instrumentos de fixação de imagens como câmeras fotográficas, é a luz de corpos luminosos que é refletida de forma difusa pelos corpos que nos cercam.
Fonte de luz são todos os corpos dos quais se podem receber luz, podendo ser fontes primárias ou secundárias.
Fontes primárias: Também chamadas de corpos luminosos, são corpos que emitem luz própria, como por exemplo, o Sol, as estrelas, a chama de uma vela, uma lâmpada acesa,...
Fontes secundárias: Também chamadas de corpos iluminados, são os corpos que enviam a luz que recebem de outras fontes, como por exemplo, a Lua, os planetas, as nuvens, os objetos visíveis que não têm luz própria,...
- Meios de propagação da luz:
Os diferentes meios materiais comportam-se de forma diferente ao serem atravessados pelos raios de luz, por isso são classificados em:
- Conceitos básicos:
Representa-se um raio de luz por um segmento de reta orientado no sentido da propagação.
Óptica Física: estuda os fenômenos ópticos que exigem uma teoria sobre a natureza das ondas eletromagnéticas.
Óptica Geométrica: estuda os fenômenos ópticos em que apresentam interesse as trajetórias seguidas pela luz. Fundamenta-se na noção de raio de luz e nas leis que regulamentam seu comportamento. O estudo em nível de Ensino Médio restringe-se apenas a esta parte da óptica.
- Fontes de luz:
Tudo o que pode ser detectado por nossos olhos, e por outros instrumentos de fixação de imagens como câmeras fotográficas, é a luz de corpos luminosos que é refletida de forma difusa pelos corpos que nos cercam.
Fonte de luz são todos os corpos dos quais se podem receber luz, podendo ser fontes primárias ou secundárias.
Fontes primárias: Também chamadas de corpos luminosos, são corpos que emitem luz própria, como por exemplo, o Sol, as estrelas, a chama de uma vela, uma lâmpada acesa,...
Fontes secundárias: Também chamadas de corpos iluminados, são os corpos que enviam a luz que recebem de outras fontes, como por exemplo, a Lua, os planetas, as nuvens, os objetos visíveis que não têm luz própria,...
- Meios de propagação da luz:
Os diferentes meios materiais comportam-se de forma diferente ao serem atravessados pelos raios de luz, por isso são classificados em:
- Meio transparente:
- Meio translúcido:
- Meio opaco:
- Conceitos básicos:
- Raios de luz:
Representa-se um raio de luz por um segmento de reta orientado no sentido da propagação.
Raios de luz
- Feixe de luz:
- Cônico convergente: os raios de luz convergem para um ponto;
- Cônico divergente: os raios de luz divergem a partir de um ponto;
- Cilíndrico paralelo: os raios de luz são paralelos entre si.
Fontes convergentes, divergentes e paralelas
Quanto às suas dimensões, uma fonte pode ser classificada como:
- Princípios da óptica geométrica:
- Pontual ou puntiforme: uma fonte sem dimensões consideráveis que emite infinitos raios de luz.
- Extensa: uma fonte com dimensões consideráveis em relação ao ambiente.
- Princípios da óptica geométrica:
- Princípio da propagação retilínea da luz: Todo o raio de luz percorre trajetórias retilíneas em meios transparentes e homogêneos. Um meio homogêneo é aquele que apresenta as mesmas características em todos os elementos de volume, por exemplo o vácuo.
- Princípio da independência dos raios de luz: Quando os raios de luz se cruzam, estes seguem independentemente, cada um a sua trajetória.
- Princípio da reversibilidade da trajetória dos raios de luz: A trajetória de um raio de luz não depende de seu sentido. Se luz vai de A à B, então o caminho de volta será de B à A.
Sombra e Penumbra:
Quando colocamos um objeto opaco entre uma fonte de luz puntiforme e um anteparo, veremos formar-se sobre este uma mancha escura. Essa mancha corresponde à parte do anteparo que não foi iluminada pela fonte, pois parte da luz foi bloqueada pelo objeto. Ela recebe o nome da sombra projetada. A parte do objeto que não recebeu luz da fonte também está escurecida, e essa região é denominada sombra própria. A região do espaço entre o objeto e o anteparo na qual a luz não se propaga é denominada cone de sombra (figura 1).
Se nós trocarmos a fonte puntiforme por uma fonte extensa, perceberemos que, ao redor da sombra projetada, form-se uma região menos escura que é denominada penumbra (figura 2).
Isso ocorre porque cada ponto da fonte extensa se comporta como uma fonte puntiforme. A região denominada penumbra é iluminada apenas por alguns pontos da fonte de luz. Se você estivesse na região da penumbra,poderia ver apenas parte da fonte luminosa. O restante estaria encoberto pelo objeto. Porém, um observador que estivesse n região da sombra não poderia ver a fonte de luz.
Se nós trocarmos a fonte puntiforme por uma fonte extensa, perceberemos que, ao redor da sombra projetada, form-se uma região menos escura que é denominada penumbra (figura 2).
Isso ocorre porque cada ponto da fonte extensa se comporta como uma fonte puntiforme. A região denominada penumbra é iluminada apenas por alguns pontos da fonte de luz. Se você estivesse na região da penumbra,poderia ver apenas parte da fonte luminosa. O restante estaria encoberto pelo objeto. Porém, um observador que estivesse n região da sombra não poderia ver a fonte de luz.
Câmara Escura:
Uma câmara escura de orifício consiste em um equipamento formado por uma caixa de paredes totalmente opacas, sendo que no meio de uma das faces existe um pequeno orifício.
Ao colocar-se um objeto, de tamanho o, de frente para o orifício, a uma distância p, nota-se que uma imagem refletida, de tamanho i, aparece na face oposta da caixa, a uma distância p', mas de foma invertida. Conforme ilustra a figura abaixo:
Desta forma, a partir de uma semelhança geométrica pode-se expressar uma equação:
Sendo esta conhecida como a Equação da câmara escura.
Ao colocar-se um objeto, de tamanho o, de frente para o orifício, a uma distância p, nota-se que uma imagem refletida, de tamanho i, aparece na face oposta da caixa, a uma distância p', mas de foma invertida. Conforme ilustra a figura abaixo:
Desta forma, a partir de uma semelhança geométrica pode-se expressar uma equação:
Sendo esta conhecida como a Equação da câmara escura.
Câmara Escura
Reflexão da luz:
Reflexão é o fenômeno que consiste no fato de a luz voltar a se propagar no meio de origem, após incidir sobre um objeto ou superfície.
Dizemos que ocorre reflexão regular ou especular quando a superfície onde ela ocorre é polida. este ipo de reflexão é comum em metais e espelhos.
Quando a superfície refletora é irregular, os raios luminosos refletem-se de forma desordenada, espalhando a luz em várias direções. Esse fenômeno recebe o nome de reflexão difusa ou difusão da luz. Esse tipo de reflexão ocorre nas superfícies dos corpos iluminados e é responsável pela nossa visualização dos objetos em geral. É possível esquematizar a reflexão de um raio de luz, ao atingir uma superfície polida, da seguinte forma:
Dizemos que ocorre reflexão regular ou especular quando a superfície onde ela ocorre é polida. este ipo de reflexão é comum em metais e espelhos.
Quando a superfície refletora é irregular, os raios luminosos refletem-se de forma desordenada, espalhando a luz em várias direções. Esse fenômeno recebe o nome de reflexão difusa ou difusão da luz. Esse tipo de reflexão ocorre nas superfícies dos corpos iluminados e é responsável pela nossa visualização dos objetos em geral. É possível esquematizar a reflexão de um raio de luz, ao atingir uma superfície polida, da seguinte forma:
Esquema da Reflexão da luz
AB = raio de luz incidente
BC = raio de luz refletido
N = reta normal à superfície no ponto B
T = reta tangente à superfície no ponto B
i = ângulo de incidência, formado entre o raio incidente e a reta normal.
r = ângulo refletido, formado entre o raio refletido e a reta normal.
- Leis da reflexão:
Os fenômenos em que acontecem reflexão, tanto regular quanto difusa e seletiva, obedecem a duas leis fundamentais que são:
i = r
BC = raio de luz refletido
N = reta normal à superfície no ponto B
T = reta tangente à superfície no ponto B
i = ângulo de incidência, formado entre o raio incidente e a reta normal.
r = ângulo refletido, formado entre o raio refletido e a reta normal.
- Leis da reflexão:
Os fenômenos em que acontecem reflexão, tanto regular quanto difusa e seletiva, obedecem a duas leis fundamentais que são:
- 1ª lei da reflexão
- 2ª Lei da reflexão
i = r
Espelhos Planos:
Quando a superfície de separação entre dois meios permitir que a maior parte da luz seja refletida e essa reflexão for regular, dizemos que a superfície entre os dois meios se constitui num espelho comum ou espelho plano.
Os espelhos planos tem utilidades bastante diversificadas, desde as domésticas até como componentes de sofisticados instrumentos ópticos.
As principais propriedades de um espelho plano são a simetria entre os pontos objeto e imagem e que a maior parte da reflexão que acontece é regular.
Para entendermos melhor esse fenômeno, vamos traçar alguns raios luz partindo do objeto e refletindo no espelho:
Os espelhos planos tem utilidades bastante diversificadas, desde as domésticas até como componentes de sofisticados instrumentos ópticos.
As principais propriedades de um espelho plano são a simetria entre os pontos objeto e imagem e que a maior parte da reflexão que acontece é regular.
Para entendermos melhor esse fenômeno, vamos traçar alguns raios luz partindo do objeto e refletindo no espelho:
Um observador colocado diante do espelho, ao receber a luz refletida por ele, tem a nítida impressão de que os raios luminosos partiram de algum ponto atrás do espelho.
É possível demonstrar que a distância do plano do espelho é igual à distância do plano do espelho té a imagem.
Se colocarmos diante do espelho um objeto extenso, a imagem formada será semelhante a este e terá o mesmo tamanho que ele. Assim, dizemos que objeto e imagem são simétricos em relação ao plano e do espelho.
Para um objeto extenso, a imagem pode ser construída ponto a ponto. Se o objeto não for simétrico, a imagem é semelhante, mas não superponível ao objeto (diz-se enantiomorfa a ele).
É possível demonstrar que a distância do plano do espelho é igual à distância do plano do espelho té a imagem.
Se colocarmos diante do espelho um objeto extenso, a imagem formada será semelhante a este e terá o mesmo tamanho que ele. Assim, dizemos que objeto e imagem são simétricos em relação ao plano e do espelho.
Para um objeto extenso, a imagem pode ser construída ponto a ponto. Se o objeto não for simétrico, a imagem é semelhante, mas não superponível ao objeto (diz-se enantiomorfa a ele).
