III Seminário de Pesquisa da Estácio - RJ 22/10/2011

Nossos alunos da Engenharia Ambiental, Tatiana, Vanessa e Erivan(não está na foto), participaram do III Seminário da Estácio e representaram muito bem seus cursos !

Óptica

Óptica

1. Introdução

Vamos iniciar nosso estudo, fazendo uma breve introdução sobre a óptica geométrica. Quando estudamos a Óptica nos centramos na compreensão da natureza e propriedades  da luz. Nosso estudo será baseado na propagação retilínea da luz e nas leis da reflexão e refração.

A  óptica é um campo de experimentação muito ativo, seus  princípios são usados na holografia ou fotografia tridimensional da microcirurgia, na espectrografia (análise química dos materiais e a descoberta da composição das estrelas distantes), na produção de circuitos integrados e nas telecomunicações etc.

2. Fontes de luz.

            Definimos fonte de luz  todo corpo que é capaz de emitir luz.

            Certamente todos já notamos a nossa volta várias fontes de luz, podemos citar algumas : lâmpadas, sol, faróis elétricos, vaga-lume, etc.

Convém definirmos de maneira simples o que é um corpo luminoso e um corpo iluminado:

·         corpo luminoso : são corpos que produzem a luz que emitem.

Como exemplos, podemos citar o Sol, a chama de uma vela, um metal superaquecido etc. Algumas dessas fontes de luz primária são permanentes, como no caso do Sol, enquanto outras são temporárias, como a chama da vela e o metal superaquecido.

·         corpo iluminado: corpos que recebem luz de uma fonte e a refletem.

Como exemplo, podemos citar a Lua, pois reflete a luz que recebe do Sol. No instante em que você acende uma lâmpada num ambiente escuro, os objetos nele contidos passam a receber a luz e também a refleti-la, permitindo que sejam vistos. Portanto, são fontes de luz secundária: a mesa, o vaso, a parede etc.

Uma fonte de luz pode ser puntiforme ou extensa:

·         Fonte puntiforme  é toda fonte cujas dimensões são desprezíveis em ralação às distâncias envolvidas que a separam de um observador.

·         Fonte extensa é toda fonte cujas dimensões não são desprezíveis em relação às distâncias envolvidas que a separam de um observador. Por exemplo uma lâmpada comum observada de uma distância de 20 cm.

3. Raios de luz

Todos nós já experimentamos a sensação de observar  através da fresta de uma janela a passagem de raios de luz. O raio de luz é toda linha que representa geometricamente a direção e o sentido da propagação da luz.

 

Um conjunto de raios de luz que se propagam numa determinada região do espaço constitui um pincel de luz, conhecemos o pincel de luz  cônico convergente (PCC),  cônico divergente (PCD) e cilíndrico.

4. Meios de propagação das luz.

As substâncias ou meios encontrados na natureza se comportam de diferentes maneiras em relação à propagação da luz, conhecemos os meios transparente, translúcido e opaco. Convém definirmos cada um desses meios resumidamente:

·         meio transparente é aquele que permite a propagação da luz através de si de maneira ordenada por distâncias consideráveis, isto é, permite a visualização nítida dos objetos através dele. Citamos como exemplo o ar, o vidro, a água etc.

·         meio translúcido é aquele que permite a propagação da luz através de si, mas a espalha desordenadamente, de modo que os objetos vistos através dele não podem ser identificados, isto é, não permite a visualização nítida. Por exemplo, vidro fosco, papel de seda, papel celofane, o ar atmosférico, etc.

·         meio opaco é aquele que impede a propagação da luz através de si, não permitindo a visualização dos objetos. Por exemplo: madeira, concreto,  portas de madeira, animais, vegetais, paredes de concreto, etc.

Devemos estar atentos aos conceitos de transparência, translucidez e opacidade.  Por exemplo: uma folha de papel celofane é um meio transparente, algumas folhas sobrepostas desse papel representam um meio translúcido e várias folhas sobrepostas, um meio opaco.

5. Velocidade da luz

A velocidade da luz num meio material depende do tipo de luz que se propaga, isto é, para cada tipo de luz a velocidade de propagação num meio material é diferente.

Os cientistas mediram a velocidade da luz no ar e no vácuo e obtiveram os valores:

v _vácuo = (299 793,0 +/- 0,3) km/s   e   v _ar = 299 700 km/s

Com bons resultados práticos podemos admitir: v _vácuo = v _ar = 300 000 km/s = 3.10⁸ m/s

Costuma-se representar a velocidade da luz no vácuo pela letra c. Logo c = 300 000 km/s = 3 .10⁸ m/s

A velocidade da luz no vácuo é uma das constantes de maior importância na Física e não pode ser ultrapassada por nenhum outro movimento existente na natureza.

6.       Fenômenos ópticos

Podemos citar como fenômenos ópticos, a reflexão regular da luz, a reflexão difusa, a refração e a absorção da luz.  Vamos definir em poucas palavras cada um deles.

- Reflexão difusa: a luz ao incidir na superfície refletora é difundida, isto, propaga-se em todas as direções.  As superfícies rugosas são exemplos que podemos citar.

-  Refração : quando a luz penetra em determinados meios, acontece o fenômeno da refração, ou seja, a luz muda a direção de sua trajetória original. Como exemplo podemos citar uma colher dentro de um copo, o objeto parece estar quebrado.

- Absorção : na absorção da luz, os feixes não são refletidos e nem difundidos, os corpos absorvem a luz  em grande parte. Como exemplo podemos citar  as estradas asfaltadas.

6.       Princípios da óptica geométrica

O desenvolvimento da Óptica Geométrica foi feito com base em três princípios fundamentais :

·         Princípio da propagação retilínea da luz

Num meio homogêneo e transparente, a luz propaga-se em linha reta. Como exemplos citamos o caminho percorrido pela luz que sai de um projetor de filmes, a câmara escura.

·         Princípio da independência dos raios de luz

Os raios de luz de um feixe são independentes. Isto é, se um raio luminoso cortar outro, ele segue seu caminho como se nada tivesse acontecido.

·         Princípio da reversibilidade dos raios de luz

O caminho de um raio de luz não se modifica quando permutamos as posições da fonte e do observador.

Isto quer dizer que o caminho da ida é igual ao caminho da volta.

7.       Espelho Plano

O espelhos é uma superfície polida que reflete de maneira regular a luz que recebe. Vamos tratar em nosso estudo os espelhos planos, côncavos e convexos, iniciaremos nossa discussão com o espelho plano.  

            Todos já nos observamos em um espelho plano, notamos que as imagens  são formadas pelo princípio da reversibilidade, o lado esquerdo do objeto corresponde ao lado direito da imagem e vice-versa.

8.1   Leis da Reflexão

Vamos enunciar as leis fundamentais da reflexão regular da luz:

·         Primeira Lei : O raio incidente, o raio refletido e a normal à superfície de incidência estão no mesmo plano.

·         Segunda Lei : O ângulo de reflexão e o de incidência possuem com a normal  à superfície o mesmo valor.

8.2   Características da imagem

A imagem formada por um espelho plano é virtual  ( imagem formada pelo prolongamento dos raios refletidos pela face do espelho), do mesmo tamanho do objeto e direita. Observe na figura que apresentamos logo a seguir  o caminho seguido pelos feixes incidentes e refletidos.

8.2.1 Imagens formadas por mais de um espelho plano.

            Quando associamos dois espelhos planos segundo um ângulo q , observamos números diferentes de imagens, que serão tanto maiores quanto menor for o ângulo q.

            Podemos determinar o número de imagens formadas pela fórmula:

N = (360 / q)  - 1

           

8.2.2 Campo visual

O campo visual de um espelho plano é toda região (tridimensional) que conseguimos ver por reflexão.  Na figura abaixo, a região escurecida corresponde ao campo visual do espelho Apenas os observadores B, C e D podem ver a imagem de P.

 
 
- Reflexão regular : o feixe de luz incide na superfície e é refletido de maneira ordenada, podemos citar como exemplo os espelhos planos.

Curiosidade

Os balões de hélio sobem porque o seu peso total é menor do que o módulo da força de empuxo do ar externo onde eles estão imersos.

Curiosidade

 Você Sabia ?
Você sabia que mesmo sendo de aço os navios não afundam. Isso acontece porque são dotados de partes ocas, apresentando assim, densidade menor do que a água. É importante lembrar que o aço maciço em grandes quantidades afunda rapidamente.