Luz II. Capítulo. Troca de ideias

Transcrição

1 Capítulo 3 Luz II Troca de ideias [1] [2] Ilusão de óptica Você já viu imagens que provocam ilusões de óptica? Observe as figuras desta página e tente entender o que está acontecendo. Repare que o cérebro nos prega peças em certas situações [3] [1] mark carrel/shutterstock, [2] sgame/shutterstock, [3] paul fleet/shutterstock Como os cubos estão empilhados? O cubo apresentado está corretamente construído? O vaso está dentro ou fora da prateleira? 24

2 Refração da luz Você já reparou que, se olharmos de fora, um lápis, quando mergulhado num copo, parece estar quebrado? O lápis mergulhado na água parece partido graças ao fenômeno da refração da luz. jan van der hoeven/shutterstock Fenômeno semelhante ocorre quando aves marinhas sobrevoam a água e enxergam um peixe sob ela e mergulham rapidamente para capturá-lo. Na verdade, o peixe não está onde a ave o enxerga. Por causa de seu instinto, a ave consegue apanhar o peixe corrigindo sua trajetória. Observe. Imagem aparente O peixe não está na posição em que é visto de fora d água. Tanto no caso do lápis quanto do peixe ocorre o fenômeno da refração. Como já sabemos, a velocidade da luz no vácuo é a maior possível no Universo, mas, ao se propagar em meios materiais, tais como água, sua velocidade se torna menor. Em um dia de sol, em uma lagoa, um raio luminoso se propaga no ar, parte dele é refletida e volta para o ar e parte dele sofre refração na água. Isso provoca um desvio na direção de propagação do raio luminoso, conforme podemos ver no esquema ao lado. Raio incidente Meio 1 Meio 2 i N r Raio refratado Raio refletido Esquema da refração indicando o raio incidente, o refletido, o refratado e a reta normal, que forma 90 com a superfície. 25

3 Assim, ao passar do vácuo para a atmosfera, por exemplo, a luz proveniente de uma estrela distante tem sua velocidade reduzida, o que resulta num desvio em sua direção de propagação. A luz sofre refração sempre que passa de um meio de propagação para outro. REFRAÇÃO ATMOSFÉRICA Posição aparente Posição real sailorr/shutterstock A luz das estrelas sofre refração ao passar pela atmosfera terrestre. O índice de refração Para determinarmos o quanto um meio de propagação altera a velocidade da luz que incide sobre ele, precisamos definir o seu índice de refração, representado pela letra n. No vácuo, a luz desloca-se com máxima velocidade: km/s, valor representado pela letra c. Ao incidir em outros meios, como o ar, a água ou o vidro, ela passa a se propagar com menor velocidade, representada pela letra v. Calculamos o índice de refração dividindo a velocidade da luz no vácuo pela velocidade da luz no meio em questão, ou seja: n = c v Quanto maior o índice de refração, mais refringente é o meio, ou seja, menor é a velocidade da luz que o atravessa. O índice de refração é adimensional, ou seja, não apresenta unidade. Observe alguns valores: Substância Água Gelo n 1,330 1,310 Álcool Ar 1,360 1,004 Atividades 1 Os diamantes, quando lapidados, apresentam brilho único. Esse brilho ocorre porque o diamante provoca uma grande refração nos raios de luz que o iluminam. A luz propaga-se no diamante com velocidade aproximada de km/s. Com base nessa informação, calcule o índice de refração do diamante. 26

4 2 Quando observamos uma estrela, no céu noturno, estamos vendo a luz emitida por ela após atravessar, em alguns casos, milhares de anos-luz de distância. No entanto, as estrelas não estão onde nós as observamos. Explique essa afirmação. 3 Os indígenas são conhecidos por sua habilidade em pescar usando arco e flecha. Observando com cuidado o peixe através da água, o hábil pescador dispara uma flecha certeira, atingindo seu alvo. Mesmo sem conhecer as leis da física, o índio acaba por aplicar um conceito da óptica. Explique essa afirmação. 4 O índice de refração do quartzo é de aproximadamente 1,5. Calcule a velocidade de propagação da luz nesse material. 5 O que ocorrerá com um raio de luz se ele passar por dois meios com o mesmo índice de refração? Atividades complementares 6 Calcule o índice de refração de um meio no qual a luz se propaga com velocidade de km/s. 7 Calcule a velocidade da luz em um meio no qual o índice de refração vale 3,0. Texto para as questões 8 e 9: Dois meios, A e B, apresentam índices de refração iguais a 1,5 e 2,0, respectivamente. 8 Qual deles é mais refringente? 9 Determine a velocidade da luz em A e em B. 27

5 Lentes esféricas Uma das principais aplicações do fenômeno da refração é a construção de lentes, sistemas ópticos feitos de vidro ou de polímeros sintéticos. No século XIII já aparecem registros do uso de lentes para a correção de defeitos visuais, e foi com seu auxílio que Galileu Galilei vislumbrou as crateras lunares e os satélites de Júpiter. Atualmente, as lentes são usadas para a construção de diversos equipamentos, como microscópios, telescópios e projetores de cinema. Neste momento vamos estudar as lentes esféricas, que são aquelas que possuem uma ou as duas superfícies com esse formato. Dizemos que as lentes são delgadas quando sua espessura é desprezível em relação a sua curvatura. Considerando suas duas superfícies, podemos classificar as lentes em dois grandes grupos: as de bordos finos e as de bordos grossos. Bordos finos: biconvexa, plano-convexa, côncavo-convexa Bordos grossos: bicôncava, plano-côncava, convexo-côncava. [1] a (a) O telescópio possibilita a observação de objetos muito distantes da Terra, como os demais planetas do sistema solar. (b) O microscópio permite a observação de microrganismos e objetos muito pequenos. [2] 1 - Biconvexa 2 - Plano-convexa 3 - Côncavo-convexa 4 - Bicôncava 5 - Plano-côncava 6 - Convexo-côncava b [1] germany feng/shutterstock, [2] artsilensecom/shutterstock Com relação ao seu comportamento, as lentes podem ser classificadas em convergentes (quando concentram os raios de luz em um ponto) ou divergentes (quando espalham os raios de luz). F Convergente As lentes convergentes concentram os raios de luz. 28

6 Como geralmente o índice de refração da lente é superior ao do meio em que ela está, as lentes de bordos finos apresentam-se como lentes convergentes e as lentes de bordos grossos apresentam-se como lentes divergentes. F As lentes divergentes espalham os raios de luz. Divergente Atividades 10 Cite pelo menos três exemplos de instrumentos ou objetos que apresentam lentes. 11 Qual a diferença entre lentes convergentes e divergentes? 12 Apresente dois exemplos de lentes de bordos grossos e dois exemplos de lentes de bordos finos. 13 Classifique as lentes quanto ao seu comportamento óptico. Atividades complementares 14 Qual o fenômeno óptico sofrido pela luz ao atravessar uma lente? 15 Classifique as lentes a seguir em bordos finos ou bordos grossos: a) plano-convexa; b) bicôncava; c) côncavo-convexa. 16 O que são lentes delgadas? 29

7 Óptica da visão e os instrumentos ópticos Ao longo de milhões de anos, o mecanismo da visão foi se aperfeiçoando nos seres vivos pelos complexos mecanismos da evolução. Na natureza encontramos desde animais que apenas reconhecem vultos até uma águia em pleno voo, que enxerga com altíssima resolução de imagens. Sem falar no olho humano, que consegue reconhecer milhões de cores e enxergar em profundidade, entre outras características. A luz inicia seu percurso atravessando a córnea e o humor aquoso, dois meios transparentes. Ao chegar ao cristalino, a luz é convergida por essa lente biconvexa até a retina, atravessando no caminho o humor vítreo. O nervo óptico é responsável por transmitir as informações recebidas até o cérebro, órgão que traduz a radiação eletromagnética recebida por nossos olhos em imagens que façam sentido para nós. Lupa Esquema de um olho humano. O cristalino funciona como uma lente convergente. Na tentativa de aprimorar ainda mais o mecanismo da visão, o homem desenvolveu instrumentos capazes de torná-lo apto a enxergar além do que seus olhos conseguiam. Estudaremos um pouco sobre esses dispositivos. Os raios de luz são convergidos até a retina pelo cristalino, uma lente biconvexa. A lupa é um instrumento de ampliação bastante simples, composto por somente uma lente convergente capaz de fornecer uma imagem virtual, direita e ampliada dos objetos colocados em sua frente. Luneta A lupa fornece imagens virtuais e ampliadas. Humor vítreo Esclerótica Corioide Retina Mácula lútea Nervo óptico Há mais de 400 anos, Galileu Galilei apontou para o céu uma luneta rudimentar e espantou-se com o que viu: manchas solares, crateras lunares, satélites em Júpiter e uma infinidade de fenômenos que escapavam aos olhos de seus contemporâneos. A luneta astronômica apresenta duas lentes convergentes, uma objetiva e uma ocular. A imagem final é virtual e invertida. A partir das lunetas astronômicas, desenvolveram-se os modernos telescópios, que hoje conseguem se aprofundar nos mistérios do Universo com lentes gigantescas. O Gran Telescopio Canarias (GTC), inaugurado em 2007 nas ilhas Canárias, Espanha, por exemplo, é formado por uma lente com mais de dez metros de diâmetro, constituída por 36 espelhos. O Telescópio Gigante Magalhães (GMT), que deverá funcionar em 2019, no Chile, terá um espelho principal de 24,5 metros. Íris Pupila Córnea Cristalino denis vrublevski/shutterstock 30

8 Microscópio Os microscópios são dispositivos ópticos empregados para visualizar objetos de pequenas dimensões, como as células. São usados desde o século XV. Os microscópios ópticos simples apresentam dois conjuntos de lentes: a objetiva, que fica próxima ao objeto que está sendo observado e tem poder de ampliação de até cem vezes, e a ocular, próxima ao olho do observador e com poder de ampliação de até dez vezes. O aumento final é dado pela multiplicação do aumento da ocular pelo aumento da objetiva. O conjunto de lentes (objetiva e ocular) pode ser aproximado ou afastado da amostra por meio de dois parafusos, o macrométrico (para ajustes maiores) e o micrométrico (para ajustes mais finos). Ocular Foco grosseiro Objetiva Amostra Foco fino Platina Lâmpada Esquema básico de um microscópio. Atividades 17 Com relação ao uso de lentes, o que podemos dizer sobre a luneta astronômica e o microscópio? 18 Calcule o aumento total fornecido por um microscópio, sabendo que sua objetiva ampliou 50 vezes e sua ocular ampliou 8 vezes. Atividades complementares 19 Qual a função da retina no processo da visão? 20 Como é feito o ajuste do foco em um microscópio? 21 Dê as características da imagem fornecida pela luneta. Defeitos da visão A visão humana pode ser acometida por alguns problemas que comprometem o seu desempenho. Felizmente, a maioria deles pode ser contornada atualmente com o uso de lentes corretivas ou mesmo com intervenções cirúrgicas. Na miopia, o globo ocular é mais alongado do que o normal. Como consequência, a imagem converge antes da retina, não se formando nitidamente. Quem apresenta esse problema tem 31

9 dificuldade para enxergar objetos distantes, mas enxerga bem objetos próximos. A correção é feita com lentes divergentes, capazes de produzir acomodação visual para o usuário. a b A hipermetropia é caracterizada por um globo ocular mais curto do que o normal. Como consequência, a imagem se forma depois da retina, não apresentando nitidez. Quem é hipermetrope tem dificuldade para visualizar objetos próximos, mas consegue boa nitidez para objetos distantes. A correção é feita com o uso de lentes convergentes. a b + (a) Olho hipermetrope. (b) Correção da hipermetropia. O astigmatismo é causado por uma falha na curvatura da córnea, que, em vez de apresentar-se esférica, adquire um aspecto ovalado. O principal sintoma do astigmatismo é a sensação de distorção de imagem, tanto para objetos próximos quanto para objetos distantes. A correção é feita com lentes toroides, de forma que a luz se concentre num único plano. A presbiopia, ou vista cansada, é um problema que surge com o passar dos anos, à medida que o cristalino perde a sua elasticidade e seu consequente poder de acomodação visual, geralmente a partir dos 40 anos. O uso de lentes bifocais ou Olho astigmático. multifocais corrige o problema. O daltonismo é um problema de visão relacionado com o reconhecimento de cores. A maioria dos daltônicos não consegue distinguir alguns tons de cores, e uma minoria apresenta o distúrbio num grau mais severo: enxergam somente em preto e branco (monocromatismo). O daltonismo afeta os cones, estruturas presentes nos olhos e responsáveis pela distinção das cores. Observe a figura ao lado. Você consegue identificar algum número em seu interior? Pessoas com visão normal distinguem o número 57 na figura. As pessoas com dificuldade em visualizar cores veem outro número ou Que número você não veem número algum. vê nessa figura? 32 (a) Olho míope. (b) Correção da miopia.

10 Atividades 22 É muito comum presenciarmos um hipermetrope afastando um livro de perto dos olhos para conseguir lê-lo sem seus óculos. Justifique esse comportamento. 23 É muito frequente o uso de óculos para leitura entre pessoas que já passaram dos 40 anos, mesmo para aquelas que antes não apresentavam problemas de visão. Por que isso ocorre? 24 O que é o daltonismo? 25 As lentes de contato para correção de defeitos da visão são usadas por mais de 100 milhões de pessoas no mundo todo. No entanto, se não forem usadas corretamente, podem representar um risco à saúde, já que podem ser a porta de entrada para infecções ou causar ferimentos pelo mau uso. Monte um grupo e pesquise quais são as principais regras de higiene e os cuidados básicos para quem usa essas lentes. Atividades complementares 26 Ao contrário da miopia e da hipermetropia, o astigmatismo não é causado por uma anormalidade no tamanho do globo ocular. Explique como ocorre esse problema e como ele pode ser corrigido. 27 Diferencie miopia e hipermetropia, informando como pode ser corrigido cada um desses problemas. 28 É correto dizer que o indivíduo daltônico não enxerga cores? Justifique. 33