Óptica Geométrica - Princípios Fundamentais

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Aula sobre os princípios fundamentais da Óptica Geométrica

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Óptica Geométrica - Princípios Fundamentais

  1. 1. Professor Marco Antonio
  2. 2. ÓpticaGeométrica Estudo da luz e suas propriedades nos meios em que se propaga. Contextualização histórica Conceitos básicos Espelhos planos Espelhos esféricos Lentes esféricas
  3. 3. Naturezadaluz-Oqueéaluz? 1-Teoria corpuscular da luz  Apresentada por Isaac Newton (fig. 1), em 1672.  Consistia em um modelo onde a luz era considerada um feixe de partículas emitidas por uma fonte de luz que atingia o olho estimulando a visão.  Esta teoria conseguia explicar muito bem alguns fenômenos de propagação da luz.  Segundo esta teoria, a luz poderia se dividir em muitas cores, através de um prisma, fenômeno da dispersão da luz (fig. 2), e usou esse conceito experimental para analisar a luz. Fig 1- Sir Isaac Fig 2 - Dispersão da luz através de um prisma
  4. 4. Naturezadaluz-Oqueéaluz? 2-Teoria ondulatória da luz  Foucault, o cientista francês, verificou que a velocidade da luz era maior no ar do que na água, contradizendo a teoria corpuscular de Newton.  James Clerk Maxwell (fig. 3), provou que a velocidade com que a onda eletromagnética se propagava no espaço era igual à velocidade da luz.  Maxwell estabeleceu teoricamente que: Fig 3 - James Clerk Maxwell (1831-1879) A luz é uma modalidade de energia radiante que se propaga através de ondas eletromagnéticas.
  5. 5. Naturezadaluz-Oqueéaluz? 2-Teoria ondulatória da luz • Hertz, 15 anos após a descoberta de Maxwell, comprovou experimentalmente a teoria ondulatória, usando um circuito oscilante. • Características de uma onda: comprimento de onda (λ) e frequência (f). • A velocidade da onda é dada pelo produto do comprimento de onda (λ), pela frequência (f) ou seja, este produto é constante para cada meio. v f
  6. 6. Naturezadaluz-Oqueéaluz? 3- Dualidade onda/partícula • Quando parecia que realmente a natureza da luz era onda eletromagnética, essa teoria não conseguia explicar o fenômeno de emissão fotoelétrica, que é a ejeção de elétrons quando a luz incide sobre um condutor. • Einstein (1905 - fig 6) usando a idéia de Planck (1900), mostrou que a energia de um feixe de luz era concentrada em pequenos pacotes de energia, denominados fótons, que explicava o fenômeno da emissão fotoelétrica. Fig. 5 - Albert Einstein (1879-1955). A luz tem caráter dual: os fenômenos de reflexão, refração, interferência, difração e polarização da luz podem ser explicados pela teoria ondulatória e os de emissão e absorção podem ser explicados pela teoria corpuscular.
  7. 7. Naturezadaluz-Oqueéaluz? Uma das características mais importantes da luz é a sua natureza corpuscular. Os corpúsculo, chamados de fótons, são considerados “pacotes” de energia associados a cada comprimento de onda partícula:  Luzes de pequeno comprimento de onda, como a luz violeta, possui fótons altamente energéticos.  Já luzes de grande comprimento de onda, como a vermelha e a laranja, possuem fótons pouco energéticos. Efeito Fotoelétrico Assim, cada radiação luminosa, cada comprimento de onda luminosa, é portadora de uma certa energia. E o fato notável é que as plantas aproveitam essa energia para a produção de matéria orgânica na fotossíntese!
  8. 8. AÓpticaesuadivisão: Sob o aspecto didático, o estudo da óptica é dividido em duas partes: • Óptica geométrica: preocupa-se em analisar o que ocorre quando o agente físico luz incide e (ou) se propaga em "sistemas ópticos" (espelhos, placas de vidro, lentes, prismas e outros). • Óptica física: estuda a produção e a natureza íntima do agente físico luz, bem como os fenômenos ligados a essa natureza (difração, interferência, polarização, etc.).
  9. 9. PrincípiosFundamentais: I- Fontes de luz: Denominamos luz ao agente físico responsável pelas sensações visuais. Também podemos definir luz como uma fração do espectro eletromagnético que impressiona os olhos Representação das frações mais significativas do Espectro Eletromagnético , fora de escala.
  10. 10. PrincípiosFundamentais: I- Fontes de luz: Denominamos luz ao agente físico responsável pelas sensações visuais. De um modo geral, todos os objetos visíveis podem ser considerados fontes de luz. Dentro do amplo espectro de radiações eletromagnéticas, apenas uma pequena parte é visível aos nossos olhos – são as radiações cujos comprimentos de onda vão de 380 a 760 nanômetros.
  11. 11. PrincípiosFundamentais: As fontes de luz podem ser: • Fonte de luz primária ou corpo luminoso: é aquela que emite luz própria. Como exemplos temos o Sol, a chama de uma vela, etc. • Fonte de luz secundária ou corpo iluminado: é aquela que reflete a luz recebida de outros corpos. Como exemplo temos a Lua, que reflete a luz recebida do Sol. A chama de uma vela é uma fonte primária de luz A Lua é uma fonte secundária de luz
  12. 12. PrincípiosFundamentais: As fontes de luz podem ser: • Fonte de luz primária ou corpo luminoso: é aquela que emite luz própria. Como exemplos temos o Sol, a chama de uma vela, etc. • Fonte de luz secundária ou corpo iluminado: é aquela que reflete a luz recebida de outros corpos. Como exemplo temos a Lua, que reflete a luz recebida do Sol. Uma fonte secundária ou corpo iluminado não possui luz própria!
  13. 13. PrincípiosFundamentais: Raio de luz: É a representação geométrica retilínea da trajetória da luz, com indicação da direção e do sentido de sua propagação. Os feixes de luz que entram em cada janelinha são representados por raios.
  14. 14. PrincípiosFundamentais: Feixe de luz: É um conjunto de raios de luz de uma mesma fonte. Uma lente de aumento, apontando para os raios do Sol, produz um feixe cônico convergente.
  15. 15. PrincípiosFundamentais: Feixe de luz: É um conjunto de raios de luz de uma mesma fonte. Quando os raios luminosos divergem, como nos faróis de um carro, formam um feixe cônico divergente.
  16. 16. PrincípiosFundamentais: Feixe de luz: É um conjunto de raios de luz de uma mesma fonte. Os raios luminosos que se propagam paralelamente, como nos holofotes, formam um feixe cilíndrico ou colimado.
  17. 17. PrincípiosFundamentais: Meios de propagação da luz: • O meio é transparente quando permite a propagação livre da luz, possibilitando uma visão nítida dos objetos através dele. Exemplos: o ar, o vidro comum, a água.
  18. 18. PrincípiosFundamentais: Meios de propagação da luz: • O meio é translúcido quando permite a propagação da luz através de si, mas a espalha, não possibilitando uma visão nítida dos objetos através dele. Exemplos: vidro fosco, papel de ceda, papel celofane.
  19. 19. PrincípiosFundamentais: Meios de propagação da luz: • O meio é opaco quando impede a propagação da luz através de si, não possibilitando a visualização dos objetos através dele. Exemplos: madeira, metais.
  20. 20. PrincípiosFundamentais: Fenômenos ópticos: Um feixe de raios paralelos, ao incidir sobre uma superfície S, que separa dois meios ópticos distintos transparentes, translúcidos ou opacos, pode atravessá-la ou não, ocorrendo os seguintes fenômenos: 1. Reflexão regular: 2. Reflexão difusa: 3. Refração regular: 4. Absorção: Acontece em função de fenômenos ópticos no céu, quando um arco de luz similar à aparência de um arco-íris, forma faixas de cores no horizonte. Tudo isso graças à refração de gelo ou água. Exemplo: Arco-íris de fogo
  21. 21. PrincípiosFundamentais: Fenômenos ópticos: 1- Reflexão regular:  O feixe de luz incide em S e retorna ao meio de origem.  Todos os raios são refletidos regularmente, ou seja, eles permanecem paralelos entre si, a partir dos pontos de incidência.  Ocorre quando S é uma superfície plana, opaca e bem polida, como um espelho.
  22. 22. PrincípiosFundamentais: Fenômenos ópticos: 2- Reflexão difusa:  O feixe de luz incide em S e retorna ao meio de origem.  Os raios são refletidos irregularmente, ou seja, deixam de ser paralelos.  Ocorre quando S é uma superfície opaca e rugosa, como a maioria dos corpos iluminados visíveis. A reflexão da luz é o retorno de um feixe de luz ao próprio meio de origem, após incidir sobre uma interface que o separa do outro meio.
  23. 23. PrincípiosFundamentais: Fenômenos ópticos: 3- Refração regular:  O feixe paralelo de luz atravessa S e continua se propagando no outro meio.  Ocorre quando o meio que recebe o feixe de luz é transparente ou translúcido.
  24. 24. PrincípiosFundamentais: Fenômenos ópticos: 4- Absorção:  O feixe de raios paralelos incide em S e não se reflete nem se refrata.  A luz é absorvida pela superfície.  Ocorre, por exemplo, nos corpos de cor escura.
  25. 25. PrincípiosdaÓpticaGeométrica I- Princípio da propagação retilínea da luz: Num meio transparente e homogêneo, a luz propaga-se em linha reta. Observe o exemplo da figura.
  26. 26. PrincípiosdaÓpticaGeométrica II- Princípio da independência dos raios de luz: Um raio de luz, ao cruzar com outro, não interfere na sua propagação. Observe a figura.
  27. 27. PrincípiosdaÓpticaGeométrica III- Princípio da reversibilidade dos raios de luz (ou caminho inverso): O caminho seguido pela luz independe do sentido de propagação.
  28. 28. PrincípiosdaÓpticaGeométrica III- Princípio da reversibilidade dos raios de luz (ou caminho inverso): Por meio de um espelho, o menino vê a menina; a menina também vê o menino!
  29. 29. PrincípiosdaÓpticaGeométrica Sombra e Penumbra Quando um objeto qualquer absorve ou reflete a luz de uma fonte luminosa, produz uma região de sombra atrás de si. A semelhança geométrica entre o objeto iluminado e a sombra por ele projetada comprova o princípio da propagação retilínea da luz. Outros fenômenos, como a penumbra, os eclipses, e as fases da Lua, são consequências deste princípio.
  30. 30. PrincípiosdaÓpticaGeométrica Sombra e Penumbra Como exemplo, imagine uma lâmpada, que é uma fonte extensa de luz, iluminando um corpo esférico à frente de uma tela.
  31. 31. PrincípiosdaÓpticaGeométrica Fontes pontuais e extensas A propósito: a fonte de luz é extensa quando suas dimensões são consideráveis em relação à distância do objeto iluminado. Ela é puntiforme quando as suas dimensões são desprezíveis em relação à distância do objeto iluminado. Só haverá formação de penumbra quando a fonte for extensa. Fonte pontual forma apenas sombra.
  32. 32. PrincípiosdaÓpticaGeométrica Eclipses: A formação dos eclipses solar e lunar está relacionada com o princípio da propagação retilínea da luz. Eclipse solar: • A Lua se põe entre aTerra e o Sol. • Em certas regiões da Terra, a Lua faz sombra (eclipse total) e em outras faz penumbra (eclipse parcial). • Isso acontece, porque a Lua é menor do que a Terra e, por esse motivo, certas regiões, durante o eclipse, ficam iluminadas, outras em penumbra e outras em sombra. O eclipse solar ocorre na fase de lua nova.
  33. 33. PrincípiosdaÓpticaGeométrica Sequência de imagens do processo do eclipse solar. Eclipse solar vista do espaço.
  34. 34. PrincípiosdaÓpticaGeométrica
  35. 35. Exemplos ER1. Um estudante, querendo determinar a altura de um prédio, mediu durante o dia, simultaneamente, sua própria sombra e a do prédio, anotando respectivamente 50 cm e 20 m. Qual a altura encontrada, sabendo-se que o estudante tem 1,50 m? ER2. Um quadrado opaco de madeira, de 1,0 m de lado, está horizontalmente pendurado a 1,2 m do teto de uma sala. Na mesma vertical do centro do quadrado está fixada, no teto, uma pequena lâmpada acesa. Sendo de 3,0 m a distância do teto ao piso, determine: a) o comprimento da sombra projetada; b) a área da sombra projetada.
  36. 36. PrincípiosdaÓpticaGeométrica Câmara escura de orifício • A câmara escura de orifício ilustra o princípio de fun- cionamento das máquinas fotográficas. • Ela consiste de uma caixa com um furo, na qual se forma uma imagem de um objeto que está em frente ao furo, na face oposta a ele.
  37. 37. PrincípiosdaÓpticaGeométrica Câmara escura de orifício • A câmara escura de orifício ilustra o princípio de fun- cionamento das máquinas fotográficas. • Ela consiste de uma caixa com um furo, na qual se forma uma imagem de um objeto que está em frente ao furo, na face oposta a ele. 'i p o p  • o = altura do objeto • p = posição do objeto • i = altura da imagem • p‘ = posição da imagem
  38. 38. Exemplo ER5. Uma caixa de sapatos é usada para construir uma câmara escura de orifício. No lugar da tampa, é fixado um recorte de folha de papel vegetal e, na face oposta a ela (fundo da caixa), faz-se um orifício com um prego. A câmara é colocada em pé sobre um mesa, em um quarto escuro e, a 40 cm da face com o orifício, põe-se uma vela acesa de 12 cm de altura. Sendo de 18 cm a profundidade da caixa, determine o tamanho da imagem formada na “tela” de papel vegetal. 1. Um objeto luminoso AB, de 5 cm de altura, está a 20 cm de distância de uma câmara escura de profundidade 10 cm. Calcule a altura da imagem formada.
  39. 39. Exercícios EP1. (Enem-MEC) A sombra de uma pessoa que tem 1,80 m de altura mede 60 cm. No mesmo momento, a seu lado, a sombra projetada de um poste está com 2,00 m. Se, mais tarde, a sombra do poste tiver diminuído 50 cm, qual o comprimento da sombra da pessoa? EP2. Em um dia ensolarado, um homem com 2,0 m de altura está parado a uma distância de 20 m de um poste de tamanho 12 m. a) Qual é o tamanho da sombra do homem projetada no chão? b) Qual é o tamanho da sombra do poste projetada no chão? 1- Um edifício iluminado pelos raios solares projeta uma sombra de comprimento L = 72,0 m. Simultaneamente, uma vara vertical de 2,50 m de altura, colocada ao lado do edifício, projeta uma sombra de comprimento ℓ = 3,00 m. Calcule a altura do edifício. 2- Um muro de 2 m de altura produz uma sombra de 60 cm. No mesmo instante, um prédio produz uma sombra de 15 m. Determine a altura do prédio. 3- Uma fonte puntiforme ilumina um disco metálico de raio 10 cm. A fonte e o centro do disco pertencem a uma reta perpendicular a um anteparo. Sabendo que a distância da fonte ao disco é de 20 cm e do disco ao anteparo é de 50 cm, determine o raio da sombra do disco projetada no anteparo.
  40. 40. Cores...  Os objetos que não possuem luz própria – objetos iluminados – são vistos porque refletem difusamente a luz que neles incide.  A cor de um objeto é a parte da luz que chega aos nossos olhos, ou seja, é a cor que o objeto refletiu.  As outras cores foram absorvidas pelo objeto.
  41. 41. Cores...  Um corpo é branco quando reflete todas as cores componentes da luz branca, e um corpo é negro quando absorve todas as cores que nele incidem.
  42. 42. Cores...  Um corpo é branco quando reflete todas as cores componentes da luz branca, e um corpo é negro quando absorve todas as cores que nele incidem. Bandeira do Brasil iluminada por luz branca Bandeira do Brasil iluminada com luz amarela
  43. 43. Exemplo ER7. Uma sala está iluminada por uma lâmpada que emite luz monocromática vermelha. Entram nessa sala três jovens: Luís, Pedro e Maria. O primeiro veste uma camisa branca, o segundo, uma camisa verde, e a terceira, uma blusa vermelha. Uma vez dentro da sala, de que cor é vista: a) a camisa de Pedro? b) a blusa de Maria? c) a camisa de Luís?
  44. 44. ÓpticaGeométrica EP3. A 1,2 m acima do centro de uma mesa circular, de 1,5 m de diâmetro, está fixada uma lâmpada puntiforme. Determine o diâmetro da sombra da mesa projetada no chão, sabendo que ela tem 1 m de altura. (2,75 m) EP5. Para que você consiga observar um eclipse solar é necessário que o Sol, aTerra e a Lua: a) estejam nos vértices de um triângulo durante a noite. b) estejam alinhados durante o dia, com o Sol entre aTerra e a Lua. c) estejam alinhados durante a noite, com a Lua entre o Sol e aTerra. d) estejam alinhados durante o dia, com aTerra entre o Sol e a Lua. e) estejam alinhados durante o dia, com a Lua entre aTerra e o Sol.
  45. 45. ÓpticaGeométrica EP7. Através da extremidade de um cilindro oco, de 8 cm de diâmetro e 10 cm de comprimento, João vê Maria, que está a 2 m dele, de corpo inteiro, graças ao ângulo visual que o cilindro permite. Que altura tem Maria? (1,60 m) EP9. Um objeto com 20 cm está situado a 50 cm de uma câmara escura de orifício. Sabendo-se que a imagem formada tem 4 cm, determine a profundidade da caixa. (10 cm) EP10. José construiu uma câmara escura de orifício e viu, através dela, a imagem de uma árvore, que media 4 cm. Aproximando-se 10 m da árvore, viu que o tamanho da imagem aumentou para 6 cm. A que distância da árvore estava José, nessa última posição? (20 m) EP11. Sabe-se que o Sol está distante da Terra cerca de 1,5.108 quilômetros. Sendo de 3.108 m/s a velocidade da luz, determine quantos minutos e segundos a luz do Sol demora para chegar à Terra. (8 min 20 s)
  46. 46. ÓpticaGeométrica EP13. Uma bandeira nacional brasileira é tingida com pigmentos puros. Quais serão as cores nas quais ela será vista ao ser iluminada pela luz monocromática azul? EP16. (UFF-RJ) Para determinar a que altura H uma fonte de luz pontual está do chão, plano e horizontal, foi realizada a seguinte experiência. Colocou-se um lápis de 0,10 m, perpendicularmente sobre o chão, em duas posições distintas: primeiro em P e depois em Q. A posição P está, exatamente, na vertical que passa pela fonte e, nesta posição, não há formação de sombra do lápis, conforme ilustra esquematicamente a figura. Na posição Q, a sombra do lápis tem comprimento 49 (quarenta e nove) vezes menor que a distância entre P e Q. A altura H é, aproximadamente, igual a: a) 0,49 m. d) 3,0 m. b) 1,0 m. e) 5,0 m. c) 1,5 m.
  47. 47. www.netfisica.com

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