Introdução a Óptica

1 – Introdução

No estudo da óptica procuraremos abordar, com objetividade, o estudo da luz e dos fenômenos luminosos em geral, tais como: o comportamento da luz, a reflexão da luz e a refração da luz. Após estudarmos os fenômenos passaremos a discutir sobre os instrumentos ópticos tais como: espelhos planos e esféricos e lentes esféricas.

A atenção nos conceitos e principalmente a dedicação no seu estudo são os pontos fundamentais para o sucesso final deste curso.

2 – Natureza da Luz

Em 1675 Isaac Newton, num de seus artigos, considerou a luz constituída por um conjunto de corpúsculos materiais em movimento, cujas trajetórias seriam retas. Huygens sugeriu que os fenômenos de propagação da luz seriam mais bem explicados se a luz fosse considerada uma onda.

No início do século XIX a teoria de Newton foi definitivamente abandonada, passando-se a considerar a luz como uma propagação ondulatória, graças ao trabalho do inglês Thomas Young. No entanto evidências mais recentes mostram que ao lado das ondas a luz transporta também corpúsculos de energia, chamados fótons, apresentando uma natureza dual (partícula-onda), segundo teoria do francês Louis De Broglie.

O transporte de energia radiante da luz é realizada através de ondas chamadas eletromagnéticas, tais ondas, além de não necessitarem de um meio material para se propagar – podendo, portanto, propagar-se no vácuo – possuem uma enorme velocidade.

No vácuo, a velocidade de propagação da luz (c) vale, aproximadamente:

c => 300 000 km/s = 3 x 10⁵ km/s = 3 x 10⁸ m/s

Em geral, somente uma parcela de energia radiante propicia a sensação de visão, ao atingir o olho. Essa parcela é denominada luz e possui freqüência entre 4 x 10¹⁴ Hz e 8 x 10¹⁴ Hz.

Importante:

Ano-Luz é uma unidade de medida de distância. Um ano-luz representa a distância pela luz durante um ano, no vácuo. Essa unidade de medida é muito usada na astronomia.

2.1 – ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO

O espectro eletromagnético mostra o conjunto de todas as frequências conhecidas de ondas eletromagnéticas. Abaixo mostramos a seqüência com a freqüência e o comprimento de onda.

As frequências dentro da faixa do visível do espectro eletromagnético correspondem às diferentes cores, com que observamos a luz. A luz de cor violeta corresponde à maior freqüência e a luz de cor vermelha corresponde à menor (veja a figura).

Podemos obter luzes de outras cores, combinando luzes de diferentes frequências. A essa combinação damos o nome de luz policromática. À luz de uma única frequência dá-se o nome de monocromática.

A luz branca é policromática. De fato, quando a luz branca atravessa, por exemplo, um prisma de vidro, ela se decompõe nas cores que a formavam.

3 – Noções Básicas

3.1 – Propagação Retilínea da Luz

Um dos fatos que podemos observar facilmente sobre o comportamento da luz é que, quando ela se propaga em um meio homogêneo, a propagação é retilínea. Isso pode ser constatado quando a luz do Sol passa através da fresta da janela, penetrando em um quarto escurecido. Sabendo-se que a luz se propaga em linha reta, podemos determinar o tamanho e posição da sombra de um objeto sobre um anteparo. Na figura, abaixo, uma pequena lâmpada emite luz que se propaga em linha reta em todas as direções. Um objeto opaco, colocado em frente a lâmpada e um anteparo, interrompe a passagem de parte desta luz, originando a sombra. O contorno desta sombra é definido pelas retas que saem da lâmpada e tangenciam o objeto.

3.2 – Raio de Luz

Raio de luz é uma linha orientada que representa a direção e o sentido de propagação da luz.

importante:

Ao conjunto de raios de luz provenientes de uma mesma fonte damos o nome de feixe luminoso, que pode ser dividido em convergente, divergente e paralelo.

Uma importante propriedade da luz é a independência que se observa na propagação dos raios ou feixes luminosos. Após dois feixes se cruzarem, eles seguem as mesmas trajetórias que iriam seguir se não tivessem se cruzado, isto é, um feixe não interfere no outro.

3.3 – Fonte de Luz

Para enxergarmos um objeto qualquer é necessário que a luz proveniente dele atinja nossos olhos. Esse objeto é uma fonte de luz.

As fontes de luz podem ser:

F Primária ou corpo luminoso: é aquela que produz a luz que emite. Exemplos: as estrelas, e em particular o Sol, são exemplos de fontes primárias, pois a luz emitida é produzida por reações nucleares ocorridas na própria estrela. Um ferro incandescente, uma vela acesa, uma lâmpada ligada são outros exemplos.

F Secundária ou corpo iluminado: é aquela que não produz a luz que emite, mas apenas a reflete. Exemplos: a lua, esta página, o teu corpo, etc.

3.4 – Meios de Propagação

Quanto à propagação da luz os meios são classificados em:

F Meios Transparentes: são aqueles que permitem a propagação da luz. Exemplos: vácuo, ar atmosférico, vidro liso comum, água em fina camada, etc.

F Meios Opacos: são aqueles que não permitem a propagação da luz. Exemplos: madeira, metal, tijolo, etc.

Meios Translúcidos: são aqueles que difundem a luz que os atravessa, sendo impossível distinguir através deles, a nitidez dos objetos. Exemplos: vidro fosco, papel vegetal, neblina, etc.

3.5 – Sombras, Penumbras e Eclipses

Uma das grandes aplicações deste assunto é o Eclipse. Ao longo de seu movimento em torno da Terra, vez ou outra a Lua passa pelo segmento da reta que une o Sol e a Terra: nesse caso, a visão do Sol pode ficar total ou parcialmente obstruída pela Lua, e dizemos que ocorreu um eclipse solar. É fácil verificar pela figura abaixo que tal eclipse só pode ocorrer nas épocas de Lua Nova (LN).

Em épocas de Lua Cheia (LC), esta pode cruzar a reta que passa pelo Sol e pela Terra; ora, como a Lua é um corpo iluminado, ao passar pelo cone de sombra da Terra criado pelo Sol, momentaneamente deixará de receber luz e, portanto de ser visível; ocorre então o eclipse lunar.

Animações de Eclipses

Entenda mais sobre Eclipses

3.6 – Câmara Escura de Orifício

A câmara escura de orifício é uma caixa de paredes opacas tendo em uma das paredes, um pequeno orifício. Considere um objeto AB colocado em frente à câmara. Os raios de luz provenientes do objeto atravessam o orifício e formam na parede oposta uma figura semelhante ao objeto e invertida, que recebe o nome de “imagem”.