Óptica. © 2005 - ufsc/labmetro o que é Óptica? propagação da luz –reflexão –refração...
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ÓPTICAÓPTICA
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• O que é Óptica?
• Propagação da Luz– Reflexão– Refração
• Óptica Geométrica– Espelhos– Lentes– Formação de imagens
IntroduçãoIntrodução
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- A óptica é o capítulo da física que estuda os fenômenos relacionados à luz, uma das formas pelas quais a energia se manifesta.
- A luz é apenas uma pequena parcela de uma vasto conjunto, o espectro eletromagnético. Distinguimos as diversas partes deste espectro por valores de “freqüência” ou por “comprimentos de onda”.
Infra-vermelho Raio XUltra-violetaVis
ível
Comprimento de onda (nm)
Micro-ondas
radio
105106
Raios gama
O que é Óptica?O que é Óptica?
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Propagação da Luz - ReflexãoPropagação da Luz - Reflexão
Quando a luz que se propaga por um meio e encontra em seu caminho uma superfície, pode ser rebatida e voltar ao mesmo meio em que se propagava, mudando de direção e conservando a velocidade. É o fenômeno da reflexão da luz.
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• O raio incidente faz um ângulo θ1 com a
normal a superfície, o qual é chamado ângulo de incidência;
• O raio refletido faz um ângulo θ1’ com a
normal a superfície, chamado ângulo de reflexão.
Propagação da Luz - ReflexãoPropagação da Luz - Reflexão
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Segunda parte: “O ângulo de reflexão é
igual ao ângulo de incidência”
θ1=θ1’
Primeira parte:
“Raio incidente e refletido estão no
mesmo plano”
1 1’
Propagação da Luz - Lei da reflexãoPropagação da Luz - Lei da reflexão
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Propagação da Luz - Lei da reflexãoPropagação da Luz - Lei da reflexão
Experimento Número 1:
Demonstração da Lei da Reflexão usando um transferidor
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• Reflexão difusa é aquela em uma superfície rugosa
• Os raios são refletidos em várias direções diferentes
Propagação da Luz - Propriedades da ReflexãoPropagação da Luz - Propriedades da Reflexão
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• Reflexão especular é a reflexão em uma superfície polida, como os espelhos por exemplo.
• Os raios refletidos são paralelos entre si.
• A Óptica concentra-se no estudo da reflexão especular, pois a reflexão difusa é imprevisível.
Propagação da Luz - Propriedades da ReflexãoPropagação da Luz - Propriedades da Reflexão
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Especular Difusa
Propagação da Luz - Propriedades da ReflexãoPropagação da Luz - Propriedades da Reflexão
A reflexão especular e difusa são casos extremos. A maior parte das superfícies tem
propriedades refletoras intermediárias.
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• Quando um feixe de luz incide obliquamente na superfície de separação entre dois meios, parte do feixe é refletido e parte do feixe penetra nesse segundo meio.
• O raio que penetra no segundo meio é desviado na superfície
– Esse desvio do raio é chamado refração
Propagação da Luz - RefraçãoPropagação da Luz - Refração
Incidente
Refratada
Refletida
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Propagação da Luz - RefraçãoPropagação da Luz - Refração
“O raio incidente, o raio refletido, e o raio refratado pertencem ao mesmo plano”
O ângulo de refração, θ2, depende das propriedades do meio
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Propagação da Luz - RefraçãoPropagação da Luz - Refração
vv1 1 : velocidade da luz no primeiro meio: velocidade da luz no primeiro meio
vv22 : velocidade da luz no segundo meio : velocidade da luz no segundo meio
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• O raio de luz quando penetra em meio onde a sua velocidade é mais baixa, ou seja, um meio mais denso, então o raio aproxima-se da reta normal à superfície.
• O ângulo de refração é menor que o ângulo de incidência.
Propagação da Luz - RefraçãoPropagação da Luz - Refração
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• O raio de luz quando penetra em meio onde a sua velocidade é mais alta, ou seja, um meio menos denso, então o raio afasta-se da reta normal à superfície.
• O ângulo de refração é menor que o ângulo de incidência.
Propagação da Luz - RefraçãoPropagação da Luz - Refração
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• Raio é o raio incidente
• Raio é o raio refletido
• Raio é o raio refratado no meio translúcido
• Raio é o raio internamente refletido
• Raio is o raio refratado quando sai do meio translúcido
Propagação da Luz - RefraçãoPropagação da Luz - Refração
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Propagação da Luz - RefraçãoPropagação da Luz - Refração
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Propagação da Luz - RefraçãoPropagação da Luz - Refração
Experimento Número 2:
Demonstração da Lei da Refração
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Um espelho pode ser simplesmente um pedaço de vidro preto ou uma superfície metálica cuidadosamente polida.
Óptica Geométrica - EspelhosÓptica Geométrica - Espelhos
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Para encontrar a imagem formada é necessário prolongar pelo menos
dois raios de luz que são refletidos pelo espelho
Óptica Geométrica - Espelho PlanoÓptica Geométrica - Espelho Plano
Distância objeto Distância imagem
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Óptica Geométrica - Espelho PlanoÓptica Geométrica - Espelho Plano
• A imagem e o objeto encontram-se a mesma distância da superfície do espelho.
• Os ângulos de incidência e reflexão são iguais – Lei da reflexão.
• A imagem formada pelo espelho é uma imagem virtual e direita
• A imagem não é ampliada, MT = 1
p=q!
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Óptica Geométrica - Espelho PlanoÓptica Geométrica - Espelho Plano
• A imagem de uma mão esquerda em um espelho plano é uma mão direita.
• O processo que transoforma um sistema de coordenadas direito no espaço objeto, em um sistema de coordenadas esquerdo no espaço imagem, tem o nome de INVERSÃO.
• Sistemas com mais de um espelho plano podem ser utilizados para criar um número par ou ímpar de inversões.
• Uma rotação de um espelho provoca um deslocamento angular de 2no feixe ou na imagem.
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Óptica Geométrica - LentesÓptica Geométrica - Lentes
• A lente é o dispositivo óptico mais utilizado;• Observamos o mundo através de um par de lentes;
• A forma da lente depende do tipo da aplicação desejada. É comum desejar converter uma onda esférica em uma onda plana, é o caso de projetores e faróis.
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Óptica Geométrica - Classificação das LentesÓptica Geométrica - Classificação das Lentes
• Uma lente simples é uma peça de vidro ou plástico formada por duas superfícies refratoras (dioptros). Essas superfícies são segmentos de uma esfera ou de um plano.
• Uma lente composta é constituída por vários elementos. • Uma lente pode ser classificada por sua espessura: delgada
ou espessa.
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Óptica Geométrica - Classificação das LentesÓptica Geométrica - Classificação das Lentes
• São mais espessas no centro
R1>0
R2<0
R1>0
R2>0
R1> 0
R2= infinito
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Óptica Geométrica - Classificação das LentesÓptica Geométrica - Classificação das Lentes
• São mais espessas nas bordas
R1<0
R2>0
R1>0
R2>0
R1< 0
R2= infinito
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Óptica Geométrica - Lentes ConvergentesÓptica Geométrica - Lentes Convergentes
• Os raios paralelos atravessam a lente e convergem para o ponto focal F
• f é positivo
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Óptica Geométrica - Lentes DivergentesÓptica Geométrica - Lentes Divergentes
• Os raios paralelos divergem após atravessar a lente
• O ponto focal é o ponto de onde os raios parecem ser originários
• f é negativo
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Óptica Geométrica - Raios ParaxiaisÓptica Geométrica - Raios Paraxiais
• Os raios que se propagam muito próximos do eixo óptico, com inclinações reduzidas são designados raios paraxiais
• A frente de onda associada a estes raios paraxiais é essencialmente esférica e dá origem a uma imagem perfeita
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Óptica Geométrica - Lentes DivergentesÓptica Geométrica - Lentes Divergentes
Experimento Número 3:
Expansão, Colimação e Convergência de um Feixe
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Óptica Geométrica - Equação das Lentes Óptica Geométrica - Equação das Lentes FinasFinas
Fórmula de Gauss
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R1 R2
IIf ‘f
p
q
OO
InvertidaInvertida
RealReal
MaiorMaior
InvertidaInvertida
RealReal
MaiorMaior
Diagrama de raios para lentes convergentes, Diagrama de raios para lentes convergentes, pp > > ff
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R1 R2
II
f ‘f
p
q
OO
DireitaDireita
VirtualVirtual
MaiorMaior
DireitaDireita
VirtualVirtual
MaiorMaior
Diagrama de raios para lentes convergentes, Diagrama de raios para lentes convergentes, pp < < ff
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R1 R2
IIf ‘f
pq
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Direita Direita VirtualVirtualMenorMenor
Direita Direita VirtualVirtualMenorMenor
Diagrama de raios pra lentes divergentesDiagrama de raios pra lentes divergentes
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Óptica Geométrica - Formação de ImagemÓptica Geométrica - Formação de Imagem
Experimento Número 4:
Formação de Imagem
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Digamos que se queira utilizar uma lente divergente com f=-20 cm para formar uma imagem que é direita, virtual e um terço da altura do objeto.
(a) Onde o objeto deveria ser colocado?(b) Desenhe o diagrama com os três raios principais.
Solução:
Óptica Geométrica - ExercícioÓptica Geométrica - Exercício
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Óptica Geométrica - ExercícioÓptica Geométrica - Exercício