Rvs -aula_4_-_luz_e_optica

LUZ - ÓPTICA

Prof. Mario Mancuso - RVS 1

O que é a
luz???

Pitágoras (582-500 a.C.)
“ A visão é causada
exclusivamente por algo
emitido pelo olho”.


Aristóteles (384-322
a.C.)

“A luz é uma espécie
de fluído imaterial
que chega aos
nossos olhos, vindo
dos objetos visíveis,
através de ondas”


Isaac Newton (1643 – 1727)

Quando a luz passa de um meio
material para outro meio ocorre
duas coisas. A primeira é que a
velocidade da luz muda. A
segunda é que quando a
incidência não é oblíqua, a
direção de propagação também
muda.

A passagem da luz de um meio
para outro damos o nome de
refração.


Albert Einstein (1879-1955)
FÓTON é a partícula elementar
mediadora da força
eletromagnética. O fóton
também é o quantum da
radiação eletromagnética
(incluindo a luz).

Em alguns aspectos, um fóton
atua como uma partícula, por
exemplo quando registrado por
um mecanismo sensível a luz
como uma câmera.
Em outros ocasiões, um fóton
se comporta como uma onda,
tal quando passa através lente
ótica.

 Desde a antiguidade filósofos e cientistas se
dedicaram para explicar os fenômenos
observados com a luz e discutiram sobre a
natureza da luz.
 Entre os antigos gregos, a escola Pitagórica
acreditava que todo objeto visual emitia
partículas. Já Aristóteles concluiu que a luz
era um fenômeno ondulatório.
 Newton (1672) acreditava na natureza
particular (como partícula) da luz, embora
no decorrer do tempo tenha manifestado
sérias dúvidas a respeito.


 Os antigos gregos descobriram que a luz se
propaga em linha reta.
 Heron de Alexandria descobriu em
experiências feitas com espelhos, que um
feixe de luz refletida volta ao meio com o
mesmo ângulo de incidência.
 O grego Claudius Ptolomy fez uma lista de
ângulos de incidência e de refração que
podem ter sido anotações de observações da
refração na interface ar-água.


 Em 1621 um matemático holandês Snell explicou o
fenômeno observado quando se coloca um bastão
reto dentro da água. Dependendo da inclinação, a
parte submersa aparenta ter outra direção. Parece
ser um bastão quebrado. Se o bastão é colocado
perpendicularmente à superfície, não se mostrará
truncado.
 Snell mostrou que quando a luz atravessa o ar e
encontra uma superfície de água, parte da luz é
refletida na superfície da água como previsto por
Heron e parte da luz entra no outro meio, mudando
de direção, mas continua caminhando em linha reta.
Não há contradição com a teoria que a luz caminha
em linha reta, porque em cada meio transparente a
teoria é respeitada.


 A luz, que leva a imagem do bastão aparentemente
truncado para os nossos olhos, se propaga em linha reta no
ar, muda de direção ao atravessar a interface água-ar e
continua em linha reta dentro da água. A luz bate e reflete
no bastão, se propaga até chegar e impressionar os nossos
olhos. As deflexões sofridas pelos raios de luz nas
interfaces de meios diferentes dão a sensação de quebra
do bastão.
 Snell estudou a propagação da luz em diferentes meios
como ar, vidro e água e notou que cada interface
determina um desvio diferente e deu o nome de refração
para a deflexão observada. Materiais diferentes
apresentam índices de refração diferentes. Foi um outro
holandês Christian Huygens que sugeriu que os índices de
refração estão relacionados à velocidade da luz ao
atravessar esses materiais.


 Hoje já não se discute mais, como nos séculos XVII e
XVIII, se a luz é formada por feixes de minúsculas
partículas ou se é uma propagação ondulatória.

 A luz não é onde nem partícula. Ela se constitui de
fótons, partículas cujo comportamento tem
natureza ondulatória.

 Apesar de ser uma visão muito simplificada da
compreensão atual que a física tem da natureza da
luz, basta saber que grande parte dos fenômenos
luminosos podem ser estudados admitindo-se que a
luz seja uma propagação ondulatória com todas as
propriedades características desse fenômeno.


A luz na forma como a conhecemos é uma
gama de comprimentos de onda a que o olho
humano é sensível.

 Trata-sede uma radiação eletromagnética
pulsante ou num sentido mais geral,
qualquer radiação eletromagnética que se
situa entre as radiações infravermelhas e as
radiações ultravioletas.


 A origem da luz é, de certa forma, semelhante à
origem do som. Enquanto o som é produzido a
partir de oscilações mecânicas, pode-se dizer
que a luz se origina de oscilações
eletromagnéticas ou da oscilação de cargas
elétricas.

 Outra semelhança seria que, assim como nossos
ouvidos só conseguem detectar uma pequena
faixa do espectro das ondas sonoras (20Hz –
20kHz), o que nossos olhos detectam como luz, é
apenas uma estreita faixa do espectro das
ondas eletromagnéticas.


 Astrês grandezas físicas básicas da luz (e de
toda a radiação electromagnética) são:
brilho (ou amplitude), cor (ou frequência), e
polarização (ou ângulo de vibração). Devido
à dualidade onda-partícula, a luz exibe
simultaneamente propriedades de ondas e
partículas.


 Um raio de luz é a representação da
trajetória da luz em determinado espaço, e
sua representação indica de onde a luz sai
(fonte) e para onde ela se dirige. O conceito
de raio de luz foi introduzido por Alhazen.
Propagando-se em meio homogêneo, a luz
sempre percorre trajetórias retilíneas;
somente em meios não-homogêneos é que a
luz pode descrever "curva".


 Numa primeira abordagem, mais superficial,
pode-se dizer que a reflexão é a causa mais
comum da emissão de luz (a grande maioria
dos corpos que vemos reflete a luz que
recebe) são corpos iluminados.
 Mas há muitas outras causas: por exemplo,
qualquer corpo aquecido a partir de certa
temperatura torna-se luminoso - A
termodinâmica diz que qualquer corpo, a
qualquer temperatura, emite radiação
eletromagnética.


 Se as dimensões da fonte luminosa forem
desprezíveis, isto é, se puder ser representada
por um ponto, a fonte é considerada pontual.
 Se isso não for possível, a fonte é extensa.
Esse conceito é relativo, a mesma fonte pode
ser considerada extensa ou pontual, dependendo
das dimensões envolvidas na situação.


CORPO LUMINOSO CORPO ILUMINADO
OU OU
FONTE PRIMÁRIA FONTE SECUNDÁRIA


A cor é uma percepção visual provocada pela
ação de um feixe de fótons sobre células
especializadas da retina, que transmitem
através de informação pré-processada no
nervo óptico, impressões para o sistema
nervoso.


A cor de um material é determinada pelas
médias de freqüência dos pacotes de onda
que as suas moléculas constituintes refletem.
Um objeto terá determinada cor se não
absorver justamente os raios
correspondentes à freqüência daquela cor.
 Assim, um objeto é vermelho se absorve
preferencialmente as freqüências fora do
vermelho.


 Os objetos não tem cor. O que vemos é a
percepção pelos órgãos da visão de determinada
faixa de onda naquela cor.
 Quando dizemos «este objeto é vermelho»
esquecemos que a cor que vemos só existe no
cérebro. Resulta de uma série de processos
neuronais no cérebro que interpretam a resposta
fisiológica da retina à luz.
 Assim, diferentes pessoas podem ter uma
percepção diferente de determinada cor em um
dado objeto, e animais de outras espécies
“enxergam” as cores de formas diferentes.


 Em 1665, Isaac Newton fez um pequeno furo
em uma cortina e obteve um feixe estreito
de luz que fez incidir sobre o prisma. A luz,
depois de passar pelo prisma, projetava
sobre a parede oposta uma mancha
alongada, com as cores distribuídas do
vermelho ao violeta.
 A luz branca do sol é composta de luzes de
todas as cores visíveis. O que o prisma faz é,
simplesmente, separar essas componentes. A
componente violeta é a mais desviada e a
vermelha, a menos desviada. As outras têm
desvios intermediários.

Newton, 1672


Cores do espectro visível

Cor Comprimento de onda Freqüência
vermelho ~ 625-740 nm ~ 480-405 THz
laranja ~ 590-625 nm ~ 510-480 THz
amarelo ~ 565-590 nm ~ 530-510 THz
verde ~ 500-565 nm ~ 600-530 THz
ciano ~ 485-500 nm ~ 620-600 THz
azul ~ 440-485 nm ~ 680-620 THz
violeta ~ 380-440 nm ~ 790-680 THz


Teoria das
cores

 Basicamente, temos duas formações de cor:

 A síntese aditiva – Trabalha com luz e geração de
imagem. -> Vídeos e equipamentos de projeção.

 A síntese subtrativa – trabalha com pigmentos.
Comum em pinturas, existe no ambiente físico.


 Funciona naqueles corpos que emitem luz. O
monitor do PC é um exemplo desse tipo de
corpo, como a TV e o projetor.
 Esse sistema se baseia nas cores vermelho,
verde e o azul. Essas cores são primárias,
pois são as cores que nossos olhos
“percebem”. A partir delas todas as outras
são formadas
 Este sistema é baseado no funcionamento de
nosso olho. Com certeza se fossemos moscas,
ou cachorros, esse sistema teria que ser
adaptado.


 Nesse sistema a mistura de duas cores
sempre resultará em uma cor mais
luminosa, quando se mistura as 3 cores
primárias em intensidade máxima, alcança-
se o branco.
 Não é possível obter uma cor primária
misturando-se diferentes cores.
 Quando se mistura 2 cores primárias, se
obtém uma cor secundária. Na síntese aditiva
de cor os tons secundários são o ciano (azul +
verde), amarelo (vermelho + verde ) e
magenta (azul + vermelho).


G
green

R B
red blue


 Osmonitores de computador e as Tvs
se baseiam nesses conceitos para conseguir
formar suas imagens coloridas. Se você tiver
uma TV de tubo, chegue bem perto dela e
veja como ela é um emaranhado de pontos
verdes, vermelhos e azuis. Esse é o famoso
RGB (de Red, Green e Blue).

 DICA: Quando se trabalhar com imagens para
Web, ou em apresentações em ppt, ou coisas do
tipo, lembre-se de deixá-las em RGB.


 Temperatura de Cor A definição de Temperatura de cor
está baseada na relação entre a temperatura de um
material hipotético e estandardizada conhecido por corpo
negro radiador, e a distribuição de energia da sua luz
emitida à medida que a temperatura deste corpo negro é
elevada do zero absoluto até temperaturas cada vez mais
elevadas.
 Expressa a aparência de cor da luz emitida pela fonte de
luz. A sua unidade de medida é o Kelvin (K). Quanto mais
alta a temperatura de cor, mais clara é a tonalidade de cor
da luz.
 Quando falamos em luz quente ou fria, não estamos nos
referindo ao calor físico da lâmpada, e sim a tonalidade de
cor que ela apresenta ao ambiente.
 Luz com tonalidade de cor mais suave torna-se mais
aconchegante e relaxante.
 Luz mais clara mais estimulante.


A temperatura de cor é uma analogia entre a
cor da luz emitida por um corpo negro
aquecido até a temperatura especificada em
Kelvin e a cor que estamos comparando.
 Ex.: uma lâmpada de temperatura de cor de
2.700 K tem tonalidade suave, já uma outra
de 6.500 K tem tonalidade clara. O ideal em
uma residência é variar entre 2.700 K e 5.000
K, conforme o ambiente a ser iluminado.


 No sistema subtrativo de cores, a tinta espalhada
sobre uma superfície iluminada por uma luz
branca possui determinada cor porque é a cor
que seus pigmentos refletem: as demais cores
são absorvidas.
 Utilizado em dispositivos de impressão,
depositando pigmentos coloridos sobre o papel,
a cor subtrai vermelho da luz branca refletida.
 (cyan é branco menos o vermelho)
 o magenta absorve o verde (ele é vermelho mais azul)
 o amarelo absorve o azul (ele é vermelho mais verde)
 uma superfície coberta com cyan e amarelo absorve
vermelho e azul refletindo apenas verde


 Mistura-se as cores secundárias da luz (também
chamadas de primárias em artes plásticas);
Ciano + Magenta + Amarelo.
 Este sistema corresponde ao "CMY" das impressoras e
serve para obter cor com pigmentos (tintas e objetos
não emissores de luz). Misturando-se os três
pigmentos temos uma matiz de cor muito escura,
muitas vezes confundido com o preto.
 O sistema "CMYK" é utilizado pela Indústria
Gráfica nos diversos processo de impressão.
 O "K" da sigla "CMYK" corresponde à cor "Preto" (em
inglês, "Black"), sendo que as outras são:
 C = Cyan (ciano)
 M = Magenta
 Y = Yellow (amarelo)


Y

C

M


 A mistura dos tons ciano, magenta e amarelo, em
diferentes intensidades, resulta em uma enorme
variedade de cores, por isso que esse sistema é usado
em impressão por gráficas e impressoras.
 Entretanto, a variedade de tons alcançada por esse
sistema (CMYK) é menor do que a variedade do
sistema RGB de TVs e monitores, por isso é preciso
tomar cuidado ao se trabalhar com cores em
materiais que serão impressos.
 Tome cuidado, pois aquilo que é exibido no
monitor não é aquilo que será impresso. Por muitos
motivos, como a diferença de alcançe do sistema
aditivo e subtrativo, a falta de fidelidade do monitor,
a regulagem da impressora, a qualidade da tinta, a
luminosidade do local em que se trabalha etc.

Qual dos vermelhos é mais brilhante?


LENTES

 Quando um raio de luz incide numa superfície
lisa e polida e volta para trás numa direção
bem determinada dizemos que houve reflexão.
As direções do raio incidente e refletido
obedecem a duas leis: as leis da reflexão.


 O plano de incidência coincide com o plano de reflexão.
 Dito de outra forma essa lei estabelece que "O raio de incidência
a reta normal e o raio refletido estão emitidos no mesmo plano."

 O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.
 Na verdade essas duas leis, essencialmente empíricas, podem ser
entendidas a partir da natureza corpuscular da luz. De fato,
podemos pensar na reflexão como resultado de colisão dos fótons
com a superfície de separação entre dois meios. É algo parecido
com a colisão de uma bola de tênis (ou outra bola) com uma
parede. O fenômeno da colisão da bola com a parede obedece as
mesmas leis da reflexão da luz (e vice-versa).


A reflexão da luz é um dos fenômenos mais
comuns envolvendo a propagação da luz. A
reflexão ocorre quando a luz incide sobre a
superfície de separação entre dois meios com
propriedades distintas. A reflexibilidade é a
tendência dos raios de voltarem para o
mesmo meio de onde vieram.


 Quando a luz incide sobre uma superfície separando
dois meios, podem ocorrer dois fenômenos distintos:
reflexão da luz e refração da luz.
 Parte da luz volta e se propaga no mesmo meio no qual a
luz incide (a reflexão da luz).
 A outra parte da luz passa de um meio para o outro
propagando-se nesse segundo. A esse último fenômeno
(no qual a luz passa de um meio para o outro) damos o
nome de refração da luz.

 Os dois fenômenos ocorrem concomitantemente.
Pode haver predominância de um fenômeno sobre o
outro. Que fenômeno predominará vai depender das
condições da incidência e da natureza dos dois meios.


 Se a superfície de separação entre os dois meios for
plana (por exemplo, superfície de um metal) e polida
(uma superfície regular) então a um feixe incidente
de raios luminosos paralelos corresponderá um feixe
refletido de raios luminosos igualmente paralelos. A
reflexão nesse caso será denominada de regular.

 Se a superfície de separação apresentar rugosidades a
reflexão será difusa. A luz será espalhada em todas as
direções. Se considerarmos um feixe de raios
luminosos incidentes paralelos, os raios refletidos
irão tomar as mais diversas direções. A grande
maioria dos objetos reflete a luz de uma maneira
difusa. Isso nos permite vê-lo de qualquer posição
que nos situarmos em relação a ele.


AS LEIS DA REFLEXÃO

REFLEXÃO REGULAR

 Quando a superfície de separação entre dois
meios permitir que a maior parte da luz seja
refletida e essa reflexão for regular, dizemos
que a superfície entre os dois meios se
constitui num espelho.

 Seessa superfície for plana (se ela se
constituir num plano) então o espelho é dito
plano. Se a superfície for esférica, o espelho
é dito esférico.


A imagem no espelho plano está no cruzamento do
prolongamento dos raios refletidos.


A região entre as duas retas e o espelho é o
campo visual do observador.


 As imagens dadas pelos :
 o os espelhos côncavos podem produzir imagens
maiores ou menores do que os objetos, reais ou
virtuais, direitas ou invertidas. Tudo depende da
distância entre o objeto e o espelho;

 o os espelhos convexos produzem sempre
imagens virtuais direitas e menores do que os
objetos.


1. Construção de Imagens num Espelho
Côncavo.
 objeto colocado antes do centro de curvatura
(C).
 Imagem: menor, invertida e real.


Côncavo.
 objeto colocado no centro de curvatura (C).
 Imagem: igual, invertida e real.


Côncavo.
 objeto colocado entre o centro de curvatura (C)
e o foco (F).
 Imagem: maior, invertida e real.


Côncavo.
 objeto colocado no foco (F).
 Imagem imprópria (não há imagem).


Côncavo.
 objeto colocado entre o foco (F) e o vértice (V).
 Imagem: maior, direita e virtual.


Convexo.
 No espelho convexo, a imagem é sempre:
menor, direita e virtual.


 A superfície curva faz com que os raios se curvem
proporcionalmente na sua distância a partir do “eixo óptico”, de
acordo com a lei de Snell. Desta forma, a frente de onda
divergente se torna convergente no lado direito (saída).


O OLHO
HUMANO


 Nosso olho é o mais perfeito aparelho óptico que
existe. Seu funcionamento é igual as máquinas
fotográficas e de projeção criadas
posteriormente.
 O olho funciona como uma câmara escura, no
qual a luz atravessa a córnea, o humor aquoso e
o cristalino e se dirige para a retina, que
funciona como o filme fotográfico; a imagem na
retina se forma invertida.
 O nervo óptico transmite o impulso nervoso
provocado pelos raios luminosos ao cérebro, que
o interpreta e nos permite ver os objetos nas
posições em que realmente se encontram.


 Nosso cérebro reúne em uma só imagem os
impulsos nervosos provenientes dos dois
olhos. A capacidade do aparelho visual
humano para perceber os relevos deve-se ao
fato de serem diferentes as imagens que
cada olho envia ao cérebro.
 Com somente um dos olhos, temos noção de
apenas duas dimensões dos objetos: largura e
altura. Com os dois olhos, passamos a ter
noção da terceira dimensão, a profundidade.


 o olho humano possui dois tipos de células responsáveis por
nos fazerem enxergar: os cones e os bastonetes.

 Os bastonetes são células que necessitam de pouca luz
para serem sensibilizadas. Entretanto não conseguem
formar imagens coloridas ou nítidas. É por isso que a noite
ou em locais escuro é muito difícil se distinguir cor.

 Já os cones são sensibilizadas com uma quantidade grande
de luz e geram as imagens nítidas e coloridas.
 Existem 3 tipos de cones, os azuis, os vermelhos e os verdes.
Eles são chamados assim, pois o cone azul é ativado por ondas
de comprimento muito aproximado às que formam a cor azul,
também chamadas de ondas curtas, enquanto os cones verdes
se sensibilizam por ondas de comprimento próximo ao verde,
também, chamadas de ondas médias e os cones vermelhos com
ondas de comprimento próximo ao vermelho, também
chamadas de longas.


 Sintomas da Miopia: visão desfocada,
dificuldade para focalizar à distância ou para
ver objetos nitidamente
 Correção da Miopia: lente côncava ou
negativa.
 No olho míope em repouso os raios paralelos
de objetos distantes são focalizados adiante
da retina. A potência do sistema óptico é
excessiva para o comprimento do olho e os
objetos distantes perdem a nitidez. Por outro
lado, a visão de objetos próximos é nitida
pois sua imagem forma-se na retina.


A miopia se caracteriza pela dificuldade de enxergar objetos muito
longe, ou seja, no infinito. A imagem se forma antes da retina.


 Faz-se com óculos ou lentes
de contato. Utilizam-se
lentes negativas (também
chamadas lentes menos ou
côncavas), as quais reduzem
a potência do sistema
óptico. Tais lentes produzem
divergência dos raios
paralelos antes que estes
penetrem no olho. O olho
míope corrigido vê
nitidamente à distância
quando em repouso e serve-
se de acomodação natural
para a visão de perto.


 Sintomas da Hipermetropia: visão desfocada,
dificuldade para ver com nitidez objetos
próximos.
 Correção da Hipermetropia: lente convexa ou
positiva.
No olho hipermétrope com acomodação (e
cristalino), quando relaxado, a focalização dá-se
atrás da retina. Em muitos casos de
hipermetropia a contração do músculo ciliar é
suficiente à acomodação para visão de longe.
Para a visão de objetos próximos, contudo, o
esforço excessivo imposto ao músculo pode
causar cansaço e desconforto ocular. Em alguns
casos a capacidade de acomodar é insuficiente e
a imagem fica indistinta.


A hipermetropia se caracteriza pela dificuldade de enxergar
objetos próximos, ou seja, a partir do ponto próximo ao olho. A
imagem se forma depois da retina.


 A hipermetropia pode ser
corrigida com óculos ou
lentes de contato. Utilizam-
se lentes positivas (também
chamadas lentes mais ou
convexas) a fim de aumentar
a potência do sistema óptico
de forma que os raios
paralelos de objetos
distantes comecem a
convergir antes de penetrar
no olho para serem
focalizados na retina com o
músculo ciliar relaxado. Para
a visão de perto o olho
utiliza a acomodação
normal.


 Material cedido pela Profa. Ester Fér e pelo Prof. Maurilio
DNA
 Wikipedia
 http://umpoucosobrecor.wordpress.com/category/cor/
 http://www.akarilampadas.com.br/informacoes/temperat
ura-de-cor.php
 TEIA DO SABER – Profa Paula Maria Neves Rodrigues
Fernandes – Universidade Santa Cecilia – UNISANTA
 Azevedo, Manuel e Figueiredo, Fernando - Instituto
Superior de Engenharia do Porto - Departamento de Física.
 http://www.oticasbifocal.com.br/Miopia.asp


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