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Cap. 1 - Introdução à Óptica e Espelhos Planos

A visão é o sentido que nos permite ter uma maior aproximação com o mundo à nossa volta.

A palavra óptica vêm do grego optiké, que significa visão. A óptica é um dos ramos da física que se ocupa do estudo da luz.

A óptica se divide em três partes:

0 Óptica Geométrica: Estuda os fenômenos relacionados com a reflexão em espelhos e com refração em meios transparentes.

0 Óptica Física: Estuda os fenômenos relativos à natureza e característica da luz; como interferência e polarização da luz e a formação e composição da luz.

0 Óptica Fisiológica: Estuda o mecanismo da visão, desde o instante que entra no olho até formar a imagem na retina; estuda também as anomalias da visão

Prof. Dayvidson Siqueira 2


0 Luz

A luz é uma onda eletromagnética que pode se propagar tanto no vácuo como em certos meios materiais e cuja frequência está compreendida numa faixa que pode sensibilizar nossos olhos.

Já as ondas eletromagnéticas com frequência inferior à da luz, não sensibiliza nossos olhos.

Duas características comuns das ondas eletromagnéticas é que todas elas se propagam no vácuo com a mesma velocidade e o fato de elas se propagarem perpendicularmente às oscilações do campo magnético e elétrico.

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Hoje acredita-se que a luz, seja composta por fótons, que são pequenos pacotes de energia. Essa teoria também diz que a luz tem uma natureza dual (dupla), comportando-se ora como onda, ora como partícula.

Como onda durante sua propagação.

Como partícula durante sua interação com a matéria.



0 Fonte de Luz

Todos os objetos que podem ser vistos estão enviando luz aos nossos olhos. Estes objetos, são chamados de fontes de luz.

Fontes de luz é qualquer corpo que emite luz

Estas fontes podem ser primárias ou secundárias.

1. Fonte primária: é aquela que emite luz própria.

Exemplo: Sol

As fontes de luz primária podem ser de 3 tipos:



0 Incandescentes: Emite luz própria em razão da alta temperatura que possui.

Exemplo: Sol

0 Fluorescente: Emite luz própria a baixa temperatura graças a um elemento excitador.

Exemplo: Lâmpada fluorescente na qual um gás é ionizado.

0 Fosforescente: Emite luz própria à baixa temperatura; mesmo na ausência de um elemento excitador.

Exemplo: Interruptor

2. Fonte de luz secundária: É aquela que emite parte da luz que recebe de uma fonte primária.

Exemplo: A Lua.



Considerando os corpos luminosos, podemos classificá-los segundo as suas dimensões,

podendo ser fontes puntiformes ou extensas.

0 Fonte Puntiforme: é quando desconsidero suas dimensões, em relação à distância que a separa do observador.

0 Fonte Extensa: é quando as dimensões não podem ser desprezadas em relação à distância.

Além disso uma fonte de luz pode ser:

0 Monocromática: é a luz de uma única cor.

0 Policromática: é a luz formada pela combinação de outras cores.



0 Meios de Propagação da Luz

A luz ao se propagar pode passar por diferentes meios de propagação. Esses meios pode ser classificados em:

0 Transparentes: quando permite a passagem da luz através dele por distâncias consideráveis, ou seja, permite a visualização nítida dos objetos através dele.

Exemplo: Ar

0 Translúcido: quando permite a propagação da luz através dele, mas produz um espalhamento do feixe luminoso, de modo que os objetos vistos através dele, não são vistos com clareza.

Exemplo: Vidro fosco

0 Opaco: quando impede completamente a propagação da luz através dele.

Exemplo: Parede



0 Raio e Pincel de Luz

Para representarmos a propagação da luz, usamos linhas orientadas denominadas raios de luz.

O conjunto desses raios é denominado pincel ou feixe de luz.

O pincel de luz pode ser convergente, divergente ou paralelo.



0 Alguns Fenômenos Ópticos

Quando uma onda luminosa atinge um objeto, alguns fenômenos ópticos podem ocorrer. Por exemplo: quando a luz se propaga no ar e chega à superfície da água de um aquário. Ela mostra a ocorrência simultânea de três fenômenos:

1. Reflexão: Corresponde à parte do feixe luminoso que retorna ao meio de origem após atingir a superfície de separação, mantendo o mesmo módulo da velocidade de propagação.

2. Refração: Corresponde à parte do feixe luminoso que passa para a outra substância (muda o meio de propagação), alterando a sua velocidade de propagação.

3. Absorção: Corresponde à parcela da radiação que é absorvida pela superfície que separa os dois meios (fica retida na superfície) e que geralmente faz a substância aquecer.



0 As Radiações do Espectro Visível

A luz branca emitida pelo Sol é policromática e é formada pela combinação de infinitas radiações de frequências diferentes. O nosso sistema visual identifica cada frequência diferente como sendo uma luz de cor distinta. O espectro visível é composto, portanto, de uma infinidade de cores que vão do vermelho ao

violeta. No espectro da luz visível, podemos considerar sete cores básicas: Vermelho, Alaranjado, Amarelo, Verde, Azul, Anil e Violeta. As radiações foram apresentadas em ordem crescente de frequências.



0 A Cor dos Corpos

Como vimos, a luz branca emitida pelo sol é formada por várias luzes monocromáticas, das quais pode-se citar 7 cores: Vermelho, Alaranjada, Amarela, Verde, Azul, Anil, Violeta.

A cor de um corpo é determinado pela seletividade com que ele absorve e reflete a luz.



0 Princípios da Óptica Geométrica

Diversos estudos de como a luz se propaga nos vários meios resultaram num conjunto de informações que ajudaram a construir instrumentos capazes de ampliar nossa capacidade de visão e a fazer projetos e previsões sobre fenômenos ópticos. Essas informações são chamadas de princípios e são a base do conhecimento para que todos os fenômenos da óptica geométrica sejam bem compreendidos.

São três estes princípios:

1. Principio da propagação retilínea da luz

Num meio homogêneo e transparente, a luz se propaga em linha reta.

2. Princípio da independência dos raios de luz

Os raios de luz de um determinado feixe são independentes dos demais raios, ou seja, se um raio cruzar o caminho de outro nada acontece.

3. Princípio da reversibilidade dos raios de luz

O caminho seguido por uma raio de luz independe do seu sentido de propagação, ou seja, a trajetória de ida e volta é a mesma.



0 Consequências dos Princípios da Óptica Geométrica

Como consequência dos princípios da óptica geométrica podemos citar a formação de sombra e penumbra, a ocorrência de eclipses e o funcionamento da câmara escura.

1. Sombra e Penumbra

Quando colocamos um objeto opaco na frente de uma fonte de luz podemos ter a formação de sombra, ou a formação de sombra e penumbra junto. Isto vai depender do tipo da fonte.

0 Fonte puntiforme: atrás do objeto formará apenas uma região de sombra.



0 Fonte extensa: Além da região de sombra forma-se também uma região de penumbra.



0 Câmara escura de Orifício

A câmara escura de orifício é outra aplicação dos princípios da óptica. Ela consiste de uma caixa, com um furo numa face, na qual se formará uma imagem de um objeto que está em frente ao furo, na face oposta a ele:



Assim como podemos usar esta semelhança para determinarmos alturas desconhecidas H, a

partir de alturas conhecidas h e distâncias conhecidas D e d.

d

h

D

H



2. Eclipses

Eclipsar algo é escondê-lo, tornar invisível sob alguma perspectiva, seja bloqueando a luz que parte dele, seja bloqueando a luz que chega até ele.

Os eclipses solar e lunar, ocorrem quando o Sol, a Lua e a Terra, estão alinhados, impedindo que nós aqui da Terra, consigamos avistar o Sol e a Lua.

0 Eclipse Solar: ocorre quando a Lua se põe entre a Terra e o Sol, este eclipse pode ser parcial ou total. O eclipse solar ocorre somente na fase de Lua Nova.



0 Eclipse Lunar: ocorre quando a Terra se põe entre o Sol e a Lua, cobrindo em sombra total ou parcial a superfície da Lua. O eclipse lunar ocorre somente na fase de lua cheia.



Um feixe ou raio de luz ao incidir sobre uma superfície, pode sofrer pelo menos um dos três fenômenos:

Reflexão, Refração e Absorção.

0 Reflexão: É o fenômeno que consiste no retorno do feixe de luz ao meio de incidência. Esta reflexão pode ser especular ou difusa.

- Reflexão Especular: é quando um feixe de raios paralelos incide na superfície S e retorna mantendo o paralelismo.

- Reflexão Difusa: é quando um feixe de raios paralelos incide em uma superfície irregular S. Retornando ao meio em diferentes direções, sem manter o paralelismo.



0 Refração: É a passagem da luz de um meio de propagação para outro diferente, sendo ambos os meios homogêneos e transparentes. Esta também pode ser especular e difusa.

- Refração Especular: é a passagem da luz do meio 1 para o meio 2, sendo o meio 2 transparente e os raios refratados são paralelos.

- Refração Difusa: é a passagem da luz do meio 1 para o meio 2, sendo o meio 2 translúcido, os raios refratados deixam de ser paralelos.



0 Absorção: Nesse caso, o feixe de luz não se propaga no meio 2, nem retorna ao meio 1. A superfície absorve o feixe de luz, provocando a elevação da temperatura da superfície.



0 Reflexão da Luz

A luz ao atingir um espelho, ela sofre reflexão, ou seja, ela retorna ao meio de incidência. Com base nisso, o fenômeno da reflexão pode ser descrito em duas leis:

- 1ª Lei - O raio incidente, o raio refletido e a reta normal são coplanares, ou seja, estão no mesmo plano.

- 2ª Lei – O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.

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0 Formação de Imagens nos Espelhos Planos

Aplicando as leis da reflexão, pode-se obter a imagem de um objeto colocado em frente a um espelho plano. Considerando que deste objeto parte raios de luz em direção ao espelho, e prolongando para trás do espelho todos os raios refletidos, veremos que eles convergem para um único ponto. Produzindo assim uma imagem simétrica ao objeto.



Em resumo, o objeto e sua imagem são simétricos em relação ao espelho, ou seja:

- O objeto e a imagem têm o mesmo tamanho.

- A distância do objeto ao espelho é igual a distância da imagem ao espelho.

- A imagem é direita em relação ao objeto.

- Objeto e imagem são enantimorfas, ou seja, não se sobrepõem.



0 Campo Visual

A região do espaço que pode ser vista por um observador pela reflexão da luz num espelho é o campo visual.

O campo visual depende do tamanho e da posição do espelho, além da posição ocupada pelo observador em relação ao espelho.

A determinação do campo visual é feita ligando-se o ponto imagem do observador com as bordas do espelho.



0 Translação de Espelhos

Ao nos aproximarmos, ou nos afastarmos de um espelho, nossa imagem realiza exatamente o mesmo movimento, dando-nos a impressão de que ela se aproxima ou se afasta de nós duas vezes mais rápido.

Se um espelho plano sofre um deslocamento d, a imagem de um objeto projetada nele sofrerá um deslocamento 2d.

oi vv 2

dD

ddd

ddD

ddD

2

)(2

22

12

12

12



0 Associação de Espelhos

Quando a luz refletida por um espelho atinge a superfície refletora de outro espelho plano próximo dizemos que eles formam uma associação de espelhos.

O número de imagens formadas numa associação de espelhos planos é dado pela fórmula:

Nos casos em que os espelhos planos são paralelos, o número de imagens formadas é infinito.

1360

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