Aula 1 Óptica geométrica, propagação retilínea e refração da luz

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1 Aula 1 Óptica geométrica, propagação retilínea e refração da luz 1

2 Último bimestre Definição de corrente elétrica: Leis de Ohm e potência elétrica: i Carga totalque passa por A Intervalo de tempo V R. i Magnetostática e introdução ao eletromagnetismo; Lei circuital de Ampère e Força magnética Lei de Faraday-Lenz Indução eletromagnética Ondas eletromagnéticas R L A P V. i F M q. v. B L A 2

3 Óptica...Por que vemos as cores que vemos? Por que só vemos arco-íris em época de chuva? Por que a bolha de são é colorida? Porque os olhos dos gatos brilham tão intensamente quando iluminados por um feixe de luz? Por que nossos olhos não brilham como os dos gatos? Por que a palavra ambulância AMBULÂNCIA aparece invertida na frente das viaturas? Que tipo de espelho é utilizado pelo dentista para examinar os dentes? Que tipo de espelho é utilizado nos carros? Por que as cores são refletidas nos CDs? Por que quando olhamos uma piscina de fora temos a impressão que ela não é tão funda? Por que espelhos nas saídas de ônibus têm um formato diferente? Por que o céu é azul? Por que o mar é azul? Por que o céu no nascer e por do Sol é vermelho alaranjado?... Que fenômenos ópticos estão acontecendo na figura ao lado? 3

4 Conceitos básicos de óptica Raio de luz: Chamamos de raio de luz o segmento de reta orientado que indica a direção e o sentido de propagação da luz (implicitamente, na óptica geométrica, consideramos a luz como uma partícula). Fontes de luz Primária: corpo luminoso emite a própria luz. Secundária: corpo iluminado reflete a luz recebida de outra fonte. Pontual: de dimensão desprezível (por exemplo, uma estrela vista da Terra). Extensa: de dimensões consideráveis (por exemplo, uma lâmpada). 4

5 Luz e a propagação retilínea A propagação retilínea é uma das principais características da luz porém, é uma característica que interpretamos dela. Isso porque as primeiras teorias sobre a luz foram teorias corpusculares, isto é, teorias nas quais a luz é entendida como uma pequena partícula. A compreensão atual da física moderna sobre a natureza da luz é diferentes (ver dualidade onda-partícula) Os feixes de luz provenientes de uma fonte primária podem ser divergentes ou convergentes, ou ainda paralelos ou transversais. Uma das maiores evidências da retilinearidade da propagação são as projeções das sombras de objetos. Em algumas situações, a linha reta que a luz percorre pode ser uma curva na física moderna, isso ocorre quando o Espaço (e o Tempo) são curvados (teoria da relatividade). 5

6 Visível, Opaco e Translúcido Do ponto de vista óptico, e em um nível mais básico, existem três tipos de materiais: visíveis, translúcidos e opacos (a, b e c na figura abaixo). Se distinguem pelo comportamento dos feixes de luz em seu anterior (a rigor, materiais opacos absorvem ou refletem luz visível). Já em um nível mais fundamental, temos que o grau de opacidade de um material depende da natureza da radiação incidente. Por exemplo, há materiais que são opacos para a luz visível (o corpo humano, por exemplo), mas que são visíveis ou translúcidos pela radiação X (como é o caso de fato do corpo humano). Em geral, para radiações muito energéticas (raios gama, por exemplo), nenhum corpo é opaco. 6

7 Visível, Opaco e Translúcido 7

8 Luz, Sombra e Penumbra Eclipse solar de agosto de Foto tirada da estação russa MIR. 8

9 Refração da luz A refração da luz sempre se manifesta quando a luz passa de um meio de propagação para outro. Diferenças físicas entre esses meios causam desvios da trajetória dos raios de luz. 9

10 Índice de refração O fenômeno de refração consiste basicamente na mudança de velocidade da luz ao passar de um meio de propagação para outro. A luz propaga com velocidades diferentes para diferentes meios. No vácuo ela se propaga, como vimos, a km/h. Na água, a velocidade da luz é ¾ desse valor, no vidro 2/3, no ar ligeiramente menor. Uma grandeza óptica importante para caracterizar a facilidade ou dificuldade da luz propagar em determinado meio é o índice de refração, representado pela letra n, e que é a relação entre velocidade da luz no vácuo (c) e a velocidade da luz nesse meio: n c v Observe que n é um número adimensional, sempre maior que 1. Refração em um meio homogêneo Refração difusa 10

11 Lei de Snell-Descartes Existe uma maneira de relacionar os ângulos de incidência e refração de um feixe de luz que incide sobre uma superfície de separação de meios. Trata-se da lei de Snell-Descartes: n1sen ( 1) n2sen( 2) sendo n 1 o índice de refração do meio 1, n 2 o índice de refração do meio 2, 1 o ângulo de incidência e 2 o ângulo de refração. Água a b Ar Ar Existe uma regra para lembrar do efeito da refração. Quando a luz passa de um meio menos refringente para um mais refringente, o raio refratada se aproxima da normal. Quando a luz passa de um meio mais refringente para um meio menos refringente, o raio refratado se afasta da normal. 11

12 Refração em superfícies curvas A refração pode ocorrer também em superfícies curvas, como notamos em um copo cheio de água quando inserimos um objeto dentro. A lei de Snell-Descartes continua valendo para estes casos! No caso do copo, devido à geometria dos raios de luz refratados, as imagens de objetos dispostos atrás do copo (a uma certa distância) são invertidas. 12

13 Refração em superfícies curvas 13

14 Ângulo limite Meio menos refringente π/2 n 1 Meio mais refringente θ L n 2 No caso da luz passando de um meio mais refringente para um menos refringente, existe um tipo de refração especial, no qual o raio refratado sai paralelo à superfície de separação. Chamamos de caso de ângulo limite. Isto é, quando a luz incide com este ângulo limite θ L, o raio refratado sai com um ângulo de 90 com relação à normal. Assim, pela Lei de Snell- Descartes, conseguimos mostrar que: sen n n Em refrações em superfícies curvas esse fenômeno também ocorre. L

15 Ângulos superiores ao limite Meio menos refringente n 1 Meio mais refringente α >θ L α n 2 Ainda estudando ângulo limite para casos onde o ângulo de incidência do raio incidente é maior que o ângulo limite, ocorre reflexão interna. Estudaremos os fenômenos das reflexões na próxima aula. Algumas fotos tiradas debaixo da água evidenciam as reflexões internas. 15

16 Desvio térmico e miragem Outro fenômeno óptico bastante popular é a miragem que se resume a sucessivas refrações da luz em lâminas de ar a diferentes temperaturas e densidades (o que altera o índice de refração de cada lâmina). O esquema abaixo ilustra o fenômeno: os índices estão indicados por n, e devido à temperatura e densidade do ar das lâminas, temos que n 1 < n 2 < n 3 < n 4. Além disso, para os ângulos: b > a e c > b. a Menor temperatura, maior densidade do ar n 4 b b n 3 c c c n 2 Maior temperatura, menor densidade do ar n 1 16

17 Fotografias e câmera escura A D d a O principio de funcionamento das máquinas fotográficas, e em modelo muito mais simples chamado de câmera escura, baseia-se na propriedade de propagação retilínea da luz. A imagem acima ilustra este modelo. De uma propriedade geométrica simples, concluímos que: A a D d O mesmo princípio, como veremos, ocorre em nossos olhos! 17

18 Refração atmosférica Posição aparente da estrela Posição real da estrela Um fenômeno análogo à miragem é o de refração atmosférica. Por possuir diversas lâminas de ar a diferentes temperaturas, luz provindas de estrelas distantes (e também a luz proveniente do Sol), passam por refrações sucessivas na atmosfera terrestre sofrendo então uma espécie de desvio. Chamamos de refração atmosférica. Astrônomos levam isso em conta durante suas observações. Os fenômenos de nascer e pôr do Sol também evidenciam isso, (quando vemos a luz do Sol porém não vemos mais/ainda ele), embora também aconteça nestes um fenômeno de reflexão atmosférica (análogo ao caso dos ângulos superiores ao ângulo limite). 18

19 Exemplos 19