Programa de Formação de Professores

Ensino Experimental das Ciências

1ª Sessão Plenária – 2º Ano

TEMA: LUZTEMA: LUZ

25 de Outubro de 2007

Conteúdos

• Breve introdução• Evolução histórica das ideias sobre luz e visão• A luz no 1º Ciclo do Ensino Básico• A luz: o que é? como se propaga?• Fenómenos decorrentes da propagação da luz• Aplicações práticas• Luz e Visão: constituição do olho humano• Defeitos de visão comuns e sua correcção• Luz e Cor

Antes de começarmos…

• Exercício:– Tente desenhar num pedaço de papel, um

esquema capaz de traduzir a forma como consegue visualizar um objecto (por exemplo, tente esquematizar como é capaz de ver uma flor.)

Um pequeno olhar… pela História!

• Atomistas: emanações (eidolas) desprendidas dos corpos e que penetravam nos olhos

• Pitagóricos: algo emanado dos olhos - feixe rectílineo (quid)

• Na Idade Média:Ibn-al-Haitiam [Alhazen] (965-1039): Rejeição dos raios visuais– “A visão faz-se por raios vindos do objecto para o olho. De

todo o corpo iluminado parte luz em todas as direcções. Quando o olho é colocado diante de um objecto assim iluminado, a ele chegará luz sobre a sua superfície exterior. Ora, já estabelecemos que a luz tem a propriedade de agir sobre o olho. Devemos, portanto concluir que o olho pode sentir o objecto visto por intermédio da luz que este lhe envia”

Afinal..como vemos um objecto?

O Sol emiteemite luz em todas as direcções. Alguma

dessa luz incide sobre o objecto

O objecto reflectereflecte (total ou parcialmente) a luz que nele incidiu

Alguma dessa luz reflectida pelo objecto é captada pelos olhos do observador

Tendo em conta o caso anterior temos que distinguir:

Corpos que têm a capacidade de produzir luz própria

Corpos que não têm a capacidade de produzir luz própria, pelo que apenas reflectem a luz que neles incide.

Corpos Iluminados

Corpos Luminosos

Meios Ópticos

Como se comportam os materiais perante a exposição à luz?

Deixam-se atravessar completamente pela

luz

Deixam-se atravessar

parcialmente pela luz

Não se deixam atravessar pela

luz

Como se propaga a luz?

Em meios transparentes e homogéneos a luz propaga-se em linha recta.

SOL

Algumas actividades sobre sombras…na Internet

• http://www.bbc.co.uk/schools/scienceclips/ages/7_8/light_shadows.shtml

• http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/scienceopticsu/shadows/index.html

• http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/scienceopticsu/shadowbox/index.html

Feixes Luminosos

Divergente Convergente Paralelo

Feixe – Conjunto de raios!

Reflexão da luz

É o fenómeno que ocorre quando a luz, ao encontrar um obstáculo,

muda de direcção sem, todavia, mudar de meio de propagação.

LEI DA REFLEXÃOLEI DA REFLEXÃO

RIRR

normal

i r O RAIO INCIDENTE, RAIO REFLECTIDO E A NORMAL SÃO COPLANARES

O Ângulo formado entre o raio incidente e a normal é igual ao ângulo formado entre o raio reflectido e a mesma normal!

A reflexão da luz e os materiais

Predomina a reflexão regular (ou especular) da luz

Predomina a reflexão difusa da luz

Material muito liso e polido

(ex: espelho)

Material rugoso

(ex: folha de papel)

Reflexão da luz e espelhos planos

http://www.physicsclassroom.com/mmedia/optics/ifpm.html

Formação de Imagens em espelhos planos

Características das Imagens:

•À mesma distância do espelho que o objecto

•Do mesmo tamanho que o objecto

•Direitas

•Simétricas

•Virtuais

ASSOCIAÇÃO DE ESPELHOS

N=360ºα

−1Número de imagens

Espelhos esféricos: côncavos

Centro de curvatura

Foco real

Distância focal

Espelhos esféricos: convexos

Imagens produzidas por espelhos esféricos: traçando raios

Imagens de espelhos côncavos

http://www.olympusmicro.com/primer/java/mirrors/concavemirrors/index.html

Imagens de espelhos convexos

http://www.olympusmicro.com/primer/java/mirrors/convexmirrors/index.html

Obs.: A refracção da luz é normalmente acompanhada pela

reflexão!

Refracção da Luz

É o fenómeno que ocorre quando a luz, ao mudar de meio de propagação, sofre um desvio

• A velocidade da luz depende da densidade do meio. Quanto maior a densidade de um meio, menor a velocidade de propagação da luz nesse meio.

• Assim, a refracção da luz está relacionada, em última análise, pela mudança de velocidade de propagação da luz aquando da mudança de meio de propagação

EXEMPLO???

I

R

Normal

i

r

Raio incidente

Raio refractado

I

R

Normal

i

r

Raio incidente

Raio refractado

Quando a luz passa de um meio opticamente mais denso para um meio opticamente menos denso, o raio refractado afasta-se da perpendicular à superfície que separa os dois meios

Quando a luz passa de um meio opticamente menos denso para um meio opticamente mais denso, o raio refractado aproxima-se da perpendicular à superfície que separa os dois meios

Exemplo do quotidiano:

Uma lentelente é um meio óptico transparente limitado por uma face plana e outra curva ou por duas faces curvas.

Uma lente convergentelente convergente, ou convexaconvexa, faz convergir um feixe de raios luminosos paralelos ao seu eixo principal, num ponto F, chamado focofoco. Este é um foco real, pois os raios convergem convergem para ele sendo possível, portanto, visualizá-lo num alvo.

Aplicações do fenómeno de refracção da luz: Lentes

Uma lente divergentelente divergente, ou côncavacôncava, faz divergir um feixe de raios luminosos paralelos ao seu eixo principal, , convergindo o prolongamento dos raios emergentes para um ponto F’, também chamado focofoco. Este é também um foco principal, mas como não é possível obtê-lo num alvo, é um foco virtualfoco virtual

Que tipo de imagens formam estas lentes?

Lentes Convergentes (convexas)

Objecto colocado para lá do centro de curvatura da lente

Imagem real, invertida e menor que o objecto!

Objecto colocado entre o foco e o centro de curvatura da lente

Imagem real, invertida e maior que o objecto!

Aplicação prática: Máquinas fotográficas

Aplicação prática: Aparelhos de projecção (retroprojectores, etc.)

Objecto colocado entre o foco e a lenteImagem virtual (é visualizada na lente), direita e maior que o objecto!

Aplicação prática: Microscópio óptico, lupa, etc.

Objecto colocado no foco da lente

Não é formada qualquer imagem!

Lentes Convergentes (convexas) [cont.]

http://www.olympusmicro.com/primer/java/lenses/converginglenses/index.html

Lentes Divergentes (côncavas)

Objecto em qualquer posição, relativamente à lente

A imagem é sempre virtual, direita e menor que o objecto!

Aplicações práticas: associação com lentes convergentes ou isoladamente, como auxiliares ópticos

http://www.olympusmicro.com/primer/java/lenses/diverginglenses/index.html

Como traçar raios que atravessam lentes?

Que tem o olho humano a ver com tudo isto?

Os nossos olhos comportam-se como máquinas fotográficas...

Como é constituído o olho humano?

Cristalino

Meio transparente que funciona como lente convergente, situado atrás da córnea e cujo papel é idêntico ao da lente da objectiva, numa máquina fotográfica

Pupila

Abertura circular que se encontra no centro da íris e que tem como função o controlo da entrada da luz no olho (diafragma de uma máquina fotográfica)

Retina

Membrana que acompanha interiormente todo o globo ocular. A zona posterior da retina é percorrida pelo nervo óptico, e nela são projectadas as imagens dos objectos que vemos. Estas imagens são depois fixadas pelo nervo óptico

Os músculos ciliares estão ligados ao cristalino e permitem que este modifique rapidamente a sua forma, consoante a distância a que os objectos que fixamos se encontram de nós. Dado que o cristalino funciona como uma lente cuja missão é a de projectar na retina a imagem de um objecto, quando a sua forma se modifica há alteração simultânea da distância focal correspondente. Dizemos então que o cristalino se acomodouacomodou!

Para que as imagens dos objectos por nós observados sejam nítidos é necessário:

1. Que o cristalino consiga a acomodação necessária, em qualquer situação, de modo a que a imagem seja projectada na retina;

2. Que a forma do globo ocular seja normal, o que se traduz por uma distância correcta da retina ao cristalino.

Se o cristalino não alterar a sua forma quando olhamos para objectos a distâncias diferentes, a imagem será tanto mais desfocada quanto maior a necessidade de acomodação, o que corresponde a uma maior aproximação do objecto. Esta situação acontece nas pessoas idosas: os músculos ciliares tornam-se rígidos e o seu poder de adaptação diminui. Estas pessoas vêem bem ao longe e mal ao pertovêem bem ao longe e mal ao perto – sofrem de presbitiapresbitia ou vista cansada

Como corrigir o problema?

Pessoa sem defeitos de visão:

Pessoa com presbitia:

Para superar esta falta de convergência do cristalino, esta pessoa deverá usar óculos com lentes convergentes!

Correcção da presbitia

A hipermetropiahipermetropia é um defeito de visão que também se corrigecorrige com lentes convergenteslentes convergentes. As pessoas vêem bem os objectos distantesvêem bem os objectos distantes, mas os objectos muito próximos são vistos de forma desfocadaobjectos muito próximos são vistos de forma desfocada. Porém, a causa da hipermetropia é diferente da da presbitia! No olho hipermétrope, o globo ocular é alongado segundo a vertical. Assim, a retina situa-se a uma distância do cristalino inferior à que corresponde à formação de uma imagem nítida.

Outro defeito de visão comum é a miopiamiopia: as pessoas não conseguem ver nitidamente os objectos que se encontram afastados. Também neste caso, é a forma do globo ocular o factor responsável por uma má formação da imagem dos objectos: no olho míope, a retina encontra-se mais afastada do cristalino do que é normal, porque o globo ocular é alongado segundo a horizontalglobo ocular é alongado segundo a horizontal. A imagem dos objectos forma-se antes da retinaimagem dos objectos forma-se antes da retina. O que fazer para corrigir o problema?

Precisamos de diminuir a convergência do cristalino...vamos, então, usar lentes lentes divergentesdivergentes!

Outros defeitos de visão:AstigmatismoAstigmatismo – uma curvatura irregular da córnea ou uma forma irregular no cristalino produz uma imagem distorcida na retina. A sua correcção é feita com uma lente cilíndrica cuja convergência é maior numa direcção que noutra

EstrabismoEstrabismo – deve-se ao desigual funcionamento dos músculos ciliares nos dois olhos. Este problema de visão é corrigido através de cirurgia ou, quando identificado cedo, por exercícios dos músculos ciliares.

Actividades na Internet:

http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/scienceopticsu/eyeball/index.html

Evolução científica da Óptica • Óptica GeométricaÓptica Geométrica

– teoria de raiosteoria de raios

– Fermat (1601-1665) e Newton (1642-1727)Fermat (1601-1665) e Newton (1642-1727)

• Óptica OndulatóriaÓptica Ondulatória– teoria de ondasteoria de ondas

– Huygens (1629-1695) e Young (1773-1829)Huygens (1629-1695) e Young (1773-1829)

• Óptica ElectromagnéticaÓptica Electromagnética– equações de Maxwell + teoria da relatividade restritaequações de Maxwell + teoria da relatividade restrita

– Maxwell (1831-1879) e Einstein (1879-1955)Maxwell (1831-1879) e Einstein (1879-1955)

• Óptica Quântica ou QED (Óptica Quântica ou QED (Quantum ElectrodynamicsQuantum Electrodynamics))– mecânica quântica relativistamecânica quântica relativista

– Feynman (1918-1988)Feynman (1918-1988)

Óptica Quântica

Óptica Electromagnética

Óptica Geométrica

Óptica ElectromagnéticaÓptica Electromagnética

• A formulação clássica (i.e., A formulação clássica (i.e., não quântica) da Óptica não quântica) da Óptica deve-se adeve-se a

James Clerk Maxwell James Clerk Maxwell (1831-1879)(1831-1879)

Óptica ElectromagnéticaÓptica Electromagnética

• A formulação clássica A formulação clássica da Óptica ganha uma da Óptica ganha uma interpretação mais interpretação mais correcta com a teoria correcta com a teoria da relatividade de da relatividade de Albert EinsteinAlbert Einstein

(1879-1955)(1879-1955)

Óptica QuânticaÓptica Quântica• A formulação mais rigorosa da A formulação mais rigorosa da

Óptica deve-se à Óptica deve-se à Electrodinâmica Electrodinâmica QuânticaQuântica fundada (entre outros) por fundada (entre outros) por

Richard P. FeynmanRichard P. Feynman

(1918-1988)(1918-1988)

De volta ao início:o que é, então a luz?o que é, então a luz?

A luz é uma onda electromagnética transversal, que se propaga, no vazio, à velocidade c=300000000 m/s

λ

λ

O espectro da luz visível é apenas uma pequena parte do espectro electromagnético

659 -769455 – 390Violeta

610 – 659492 – 455Azul

520 - 610577 – 492Verde

503 – 520597 – 577Amarelo

482 – 503622 – 597Laranja

384 – 482780 – 622Vermelho

Cor (nm)λ0 )ν( THz

O Espectro

Espectro Electromagnético

Luz e cor

A sobreposição de todas as radiações coloridas do espectro visível origina a luz branca.

Cores Primárias permitem, através delas, a obtenção de todas as outras cores do espectro visível da luz branca (Vermelho, Verde e Azul)Cores Secundárias resultam da sobreposição, duas a duas, das cores primárias (Amarelo, Ciano e Magenta)

Como podemos então obter as diversas “cores”?

Vermelho + Verde = AMARELOVermelho + Azul = MAGENTAAzul + Verde = CIANOAzul + Verde + Vermelho = BRANCO

As cores formadas pela combinação das básicas chamam-se complementares ou secundárias

Uma cor é complementar de outra quando se anulam reciprocamente, ou seja, quando as juntamos, se neutralizam.

COR COMPLEMENTAR

Vermelho - Ciano (Azul + Verde)Verde - Magenta (Azul + Vermelho)Azul - Amarelo (Vermelho + Verde)

Não esquecer...!

PARA QUE UM OBJECTO SEJA VISÍVEL É NECESSÁRIO QUE SOBRE ELE INCIDA LUZ (SEJA ELA MONOCROMÁTICA OU POLICROMÁTICA)

Será a cor uma característica dos objectos?

Se os objectos apresentam cores diferentes quando sobre eles incide luz branca é porque na sua constituição existem substâncias com a capacidade de absorver diferencialmente as radiações coloridas do espectro visível, reflectindo as restantes, complementares das absorvidas. É a sobreposição dessas radiações coloridas reflectidas que confere a cor aos objectos.