Seminário sobre a obra de Newton, "Opticks". Mestrado, 2009.

1. Isaac Newton – Opticks
(1704)

2. Universidade de Brasília
Programa de Pós Graduação em Ensino de
Ciências
Disciplina: Tópicos de Física Clássica
Prof.ª: Maria de Fátima da S. Lettere Verdeaux
Alunos: Jair Lúcio Prados Ribeiro e Lígia da S.
Almeida Melo
“A Óptica de Isaac Newton”
2

3. Isaac Newton -
Óptica
Isaac Newton aos 45 anos de idade.
 Morre aos 85 anos (1642-
1727).
 A óptica foi umas das suas
maiores paixões.
 1º artigo aos 29 anos (carta
enviada a Royal Society em
fevereiro de 1672).
1º curso ministrado em Cambridge
(1669-72).
Último livro: Opticks (1704, um
ano após a morte de Hooke).
3

4.  Obra fundamental:
Opticks (1704)
 Capa da 1ª edição
de Opticks
Isaac Newton e a Óptica
4

5. Em nota à primeira
edição:
“Para evitar participar de disputas
nestes assuntos, até agora tenho
atrasado a impressão e ainda estaria
fazendo se a insistência dos amigos
não tivesse prevalecido sobre mim.”
I.N.
1º de abril de 1704
5

6. Opticks, segundo
Newton
“Meu objetivo nesse livro não é
explicar as propriedades da luz por
hipóteses, mas formulá-las e prová-
las pela Razão e por Experimentos,
para o que tomarei como premissas
as definições e os axiomas que se
seguem”.
Óptica - Livro I
6

7. Importância da obra
 “Opticks” foi escrito em inglês. A 4ª
edição traduzida para a Língua
Portuguesa .
 Linguagem acessível e não centrada no
formalismo matemático.
 As “provas” apresentadas decorrem de
experimentos conduzidos por Newton
(inicialmente relatados em 1665, o
“annus mirabillis” de Newton)
7

8. Temas presentes na
obra
 A natureza da luz
 A natureza da cor
 Reflexão
 Refração
 Dispersão da luz
 Espectros
 Difração (ou “inflexão”)
8

9. Analogia entre Óptica
e Mecânica
 “Devido à analogia entre a propagação
dos raios de luz e o movimento das
partículas, formulei as seguintes
proposições, sem considerar a natureza
dos raios luminosos, se são ou não
corpúsculos, mas apenas comparando
as trajetórias de raios com aquelas de
partículas”.
9

10. Teoria Corpuscular da
Luz
 A luz é formada por pequenas
partículas (corpúsculos).
 Existe um tipo de corpúsculo para cada
cor visível.
 Contraponto: teoria ondulatória de
Christiaan Huygens. 10

11. Propagação retilínea
da luz
 A luz viaja a grande velocidade: logo, sua
trajetória é essencialmente retilínea.
 Argumentação essencial: uma onda não
poderia viajar em linha reta; afinal, não se
pode ver um raio de luz estando por trás
de um anteparo da mesma forma que
pode se ouvir o som, logo a luz não pode
ser onda.
11

12. Da teoria ondulatória
 1818: competição na Academia de
Paris.
 Fresnel (1788-1827) submete sua teoria.
 Poisson (um dos juízes) contra-argumenta
através da prova pelo absurdo: deveria
aparecer um ponto brilhante no centro da
sombra de um objeto circular.
 Arago monta a experiência e verifica o
ponto brilhante.
12

13. Teoria corpuscular -
dificuldades
 Como explicar a reflexão e transmissão
parciais na interface entre dois meios?
13

14. Teoria corpuscular -
dificuldades
 Newton conjecturou que a matéria é
muito mais porosa do que se imagina:
“suas partículas sólidas ocupariam
apenas uma pequena fração do
espaço” – a matéria seria
principalmente espaço vazio.
14

15. A hipótese de Newton
 “Assim como uma pedra que cai na água
produz nela um movimento ondulatório,
todos os raios de luz, ao colidirem com
qualquer superfície, provocam no meio
vibrações que se propagam e se deslocam
mais rapidamente que os raios. Quando um
raio se encontra na parte da vibração que
ajuda seu movimento, quebra-se facilmente
numa superfície refratora, mas, quando se
encontra na parte contrária, é facilmente
refletido”
Artigo: A hipótese da luz15

16. Reflexão da luz
 Mais simples de se explicar utilizando a teoria
corpuscular de Newton.
 Também é facilmente explicado pela teoria
ondulatória.
 A luz quando incide em um espelho é refletida,
obedecendo à tradicional lei de igualdade dos
ângulos.
 Tratando a luz como corpúsculos, podemos
compará-la com esferas de aço ricocheteando
em uma superfície dura.
 Os corpúsculos seriam partículas totalmente16

17. Reflexão da luz
(Desenho retirado da obra) 17

18.  Proposição 8: “A causa da reflexão não
é o choque da luz com as partes sólidas
ou impenetráveis do corpo, como
geralmente se acredita.” (Livro II – parte 3)
 Como que num mesmo ponto de
incidência, pode-se obter diferentes
reflexões e refrações em variados
ângulos dependendo do ângulo de
incidência?
18
Reflexão da luz

19. “Ora, se a reflexão fosse causada pelas
partes do ar ou do vidro, seria de
perguntar por que a uma mesma
obliquidade de incidência os azuis devem
chocar-se completamente com essas
partes, de forma a serem todos refletidos,
enquanto os vermelhos devem deparar
com poros suficientes para serem
transmitidos em grande parte.”
19
Reflexão da luz

20. Reflexão da luz
“E este problema dificilmente será resolvido
de outra forma que não dizendo-se que a
reflexão de um raio é efetuada, não por um
ponto único do corpo refletor, mas por
algum poder do corpo espalhado
uniformemente por toda sua superfície e
pela qual ele age sobre o raio sem contato
imediato. Pois que as partes dos corpos
agem sobre a luz a distância será mostrado
daqui por diante.”
20

21. Difração (Inflexão) da
luz
 Newton mediu com grande precisão franjas de
difração produzidas por objetos tais como fios
de cabelo, gumes de facas e fendas estreitas.
 Também fez observações sobre cores de
lâminas delgadas transparentes, como bolhas
de sabão.
 Mediu os raios dos “Anéis de Newton” .
 O caráter periódico de tais fenômenos sugeria
um fenômeno ondulatório.
21

22. Difração (Inflexão) da
Luz
 Explicação de Newton:
“Não será verdade que os corpos atuam
à distância sobre a luz, encurvando
seus raios; e não será esta ação tanto
mais forte quanto menor a distância?”
22

23. Difração da luz –
Anéis de Newton
23

24.  Interessou-se pelos anéis a partir dos
estudos das obras de Boyle e de
Hooke.
 Boyle (Experiments and considerations
touching colours, 1664):
 As cores não eram qualidades dos corpos, eram
produzidas por reflexões e refrações.
 Raios coloridos eram modificações da luz branca.
 Newton concorda com a primeira idéia.
24
Difração da luz –
Anéis de Newton

25.  Hooke (Micrographia, 1665):
 A luz era uma sucessão de pulsos
propagados pelo éter.
 Os anéis:
 Mistura de dois pulsos: um refletido pela primeira
superfície e outro refletido na segunda.
25
Difração da luz – Anéis de Newton

26.  Proposição 12:
“Todo raio de luz, em sua passagem através
de qualquer superfície refratora assume
uma certa constituição ou estado
transitório que ao longo da trajetória do
raio retorna em intervalos iguais e faz com
que em cada retorno o raio tenda a ser
facilmente transmitido através da próxima
superfície refratora e, entre os retornos, a
ser facilmente refletido por ela.” (Livro II –
parte 3) 26
Difração da luz – Anéis de Newton

27. Difração da luz –
Anéis de Newton
27

28. Difração da luz –
Anéis de Newton
Desenho retirado da obra. 28

29. Difração da luz –
Anéis de Newton
Desenho retirado da obra. 29

30. Difração da luz –
Bolhas de sabão
30

31. Difração da luz –
Bolhas de sabão
31

32. Difração da luz – Fio
de cabelo
32

33. Difração da luz – Fio
de cabelo
Desenho retirado da obra. 33

34. Refração da luz Ponto crítico da teoria corpuscular:
apresentava previsões divergentes com a
teoria ondulatória.
 Para Newton:
 a água atraía as partículas de luz que se
aproximavam.
 acreditava que as partículas de luz
aceleravam ao passar de um meio menos
denso para um mais denso. 34

35. 35
Refração da luz

36. Refração da luz Newton reconheceu que se no futuro se
provasse que a velocidade da luz num
meio mais denso fosse menor que num
menos denso, sua teoria teria de ser
abandonada.
 Em 1850, Jean Foucault provou
experimentalmente que Newton estava
errado ao medir a velocidade da luz na
água e verificar que era menor que no
ar. 36

37. Refração da luz
(Desenho retirado da obra) 37

38. Refração da luz
(Desenho retirado da obra) 38

39. Refração da luz
(Desenho retirado da obra)
39

40. Refração da luz
(Desenho retirado da obra)
40

41. Refração da luz –
Reflexão total
(Desenho retirado da obra)
41

42. Cor e dispersão da luz
 A lendária experiência do prisma.
“....Foi a princípio um divertimento muito
agradável ver as cores vivas e intensas
assim produzidas por aquele
processo....”
 Realizada durante seu Annus Mirabilis
(reclusão forçada nos anos da Peste
Negra).
42

43. Cor e dispersão da luz
43

44. Cor e dispersão da luz
The dark side of the moon (1973) 44

45. Cor e dispersão da luz
45
The dark side of the Force

46. Cor e dispersão da luz
46
The dark side of the moon (1973)

47. Cor e dispersão da luz
47
The dark side of the moon (CD japonês)

48. Cor e dispersão da luz
48Star Trek – The motion picture (1979)

49. Cor e dispersão da luz “A luz solar é composta de raios de
diferente refrangibilidade”.
 Hooke: havia apenas duas cores básicas
(vermelho e azul); as demais seriam geradas
por distorções nos pulsos durante as
refrações.
 Newton: havia infinitas cores, cada uma com
seu grau de refrangibilidade.
 Primeira decomposição espectral: a luz
branca é a mistura de “todas as cores”. 49

50. Cor e dispersão da luz
(Desenho retirado da obra)
50

51. Cor e dispersão da luz
(Desenho retirado da obra)
51

52. Cor e dispersão da luz
(Desenho retirado da obra)
52

53. Cor e dispersão da luz
(Desenho retirado da obra) 53

54. Cor – Disco de Newton
(Disco de Newton - desenho retirado da obra) 54

55. Cor – Disco de Newton
(Traite de la Peinture in Mignature (1708) - desenho retirado da obra) 55

56. Cor – Disco de Newton
56

57. Dispersão - Aberração
cromática
57

58. Dispersão - Aberração
cromática
 Newton a discute e mostra que ela
limita a construção de telescópios de
refração.
 1668: Propõe então o telescópio de
reflexão.
 1671: Envia um telescópio à Royal
Society
 1672: Publica artigo descrevendo o
telescópio. 58

59. Telescópio de
reflexão
(Desenho retirado da obra)
59

60. Telescópio de
reflexão
Telescópio desenvolvido por Newton 60

61. Dispersão – Arco-íris
61

62. Dispersão – Arco-íris
 Newton explica as cores e calcula a
largura angular do arco, em boa
concordância com suas próprias
observações, muito precisas.
62

63. Dispersão – Arco-íris
63

64. Dispersão – Arco-íris
Desenho retirado da obra. 64

65. Questões finais – Newton
ou Nostradamus?
“Não serão os corpos e a luz
conversíveis um no outro? A
transmutação dos corpos em luz, e da
luz em corpos, está bem conforme aos
processos da Natureza, que parece
gostar de transmutações.”
65

66. Questões finais – Newton
ou Nostradamus?
“Não terão as pequenas partículas dos corpos
certas forças mediante as quais atuam, não
só sobre os raios de luz, mas também umas
sobre as outras, para produzir grande parte
dos fenômenos da Natureza? As atrações da
gravidade, do magnetismo e da eletricidade
se exercem até distâncias consideráveis, mas
pode haver outras que, por se exercerem
somente a distâncias muito curtas, tenham
até agora escapado à observação.”
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67. Referências
 Barthem, Ricardo. A luz. Temas atuais de Física. 1ª ed. São Paulo: Editora Livraria da
Física: SBF, 2005.
 Newton, I. Opticks: Or a Treatise of the Reflections, Refractions, Inflections & Colours of
Light. 1st Edition, London, Dover Publications, 1704.
(Disponível em http://books.google.com/)
 Newton, I. Óptica. Tradução, introdução e notas de André Koch T. Assis. 1ª ed. São Paulo:
EDUSP,2002.
 MOURA, B.; SILVA, C. Newton antecipou o conceito de dualidade onda-partícula da luz?
Latin-American Journal of Physics Education, vol. 2, n.3, p. 1-30, 2008.
(Disponível em http://journal.lapen.org.mx)
 JORAS, C. Newton – Notas de aula. IF/UFRJ, 2007.
(Disponível em: http://omnis.if.ufrj.br/~joras/)
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