Introdução à Óptica Luz

Transcrição

1 Introdução à Óptica Luz A luz é uma forma de energia que se propaga nos meios materiais e também no vácuo. A luz emitida pelo Sol estrela mais próxima da Terra chega a nós em 8 minutos e 20 segundos, percorrendo 150 milhões de quilômetros a uma velocidade de 300 mil quilômetros por segundo. Depois do Sol, a estrela mais próxima da Terra é a estrela alfa da constelação de Centauro que se encontra a 4,3 anos-luz da Terra, isto é, a luz emitida pela estrela alfa demora 4,3 anos para chegar à Terra. A luz emitida pelo Sol é branca, uma luz policromática (várias cores) que pode ser decomposta em luzes monocromáticas (uma só cor). As luzes monocromáticas principais que compõem a luz branca são em número de sete, a saber: vermelha, alaranjada, amarela, verde, azul, anil e violeta. Para observarmos a decomposição da luz branca em suas cores componentes principais, basta fazermos a luz solar incidir sobre um prisma ou sobre gotículas de água (arco-íris).

2 Nos meios homogêneos e transparentes, a luz se propaga em linha reta. Para representarmos a propagação retilínea da luz, utilizamos os raios de luz que são linhas orientadas que representam a direção e o sentido de propagação da luz. O conjunto de raios de luz constitui um feixe de luz. Assim, podemos ter feixe de luz constituído por raios paralelos, convergentes ou divergentes. Com base no conceito de raio de luz, podemos representar os três fenômenos luminosos básicos: reflexão, refração e absorção.

3 A reflexão regular é obtida quando a luz incide sobre superfícies totalmente polidas, como no caso dos espelhos; e a reflexão difusa é obtida em superfícies ásperas, como no caso de uma parede pintada de branco. 3. A Cor de um Corpo Vimos que os objetos que não possuem luz própria objetos iluminados são vistos porque refletem difusamente a luz que neles incide. Quando iluminados por uma luz policromática, um objeto pode não refletir todos os componentes da luz incidente, absorvendo alguns deles. Assim, podemos afirmar que as cores com que vemos os objetos correspondem às cores da luz refletida por eles. A cor de um objeto é determinada pela luz que ele difunde. Uma rosa é vermelha porque absorve todas as cores e reflete difusamente a vermelha; pelo mesmo motivo a grama é verde, e um carro é azul. Observada através de um vidro amarelo, uma parede branca fica amarela porque o vidro colorido funciona como um filtro: absorve todas as cores exceto o amarelo. 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. Vivemos num mundo de cores. No entanto, devemos lembrar que os objetos coloridos que vemos ao nosso redor somente possuem essa cor porque são iluminados com luz branca: luz do Sol ou de uma lâmpada. Mas, como veríamos, por exemplo, a bandeira brasileira se ela fosse iluminada por uma fonte luminosa que emitisse somente luz monocromática verde? Sabemos que as cores da bandeira brasileira são verde, amarela, azul e branca. Isto somente acontece quando a bandeira é iluminada com luz branca. Se a iluminação for com luz verde, teremos: a parte verde será vista verde; as partes amarela e azul serão vistas negras (um objeto amarelo ou azul absorve totalmente a luz verde); a parte branca será vista verde (a luz verde é uma das componentes da luz branca). Portanto, a nossa percepção de cores depende da fonte de luz, da luz que é refletida difusamente e da sensibilidade de nossos olhos em relação à luz refletida. Vejamos um exemplo. Consideremos que um objeto iluminado com luz branca absorva todos os seus componentes, com exceção da vermelha. Portanto, esse objeto reflete, difusamente, somente a luz vermelha e, então, para nós, esse objeto é vermelho. Se ele refletisse somente a luz azul, nós o enxergaríamos azul. A faculdade que os corpos têm de difundir determinada luz é atribuída à existência de pigmentos que absorvem especificamente certas radiações monocromáticas. Como você já deve ter estudado em Biologia, é graças aos pigmentos de clorofila que as folhas exibem cor verde: a clorofila absorve todas as radiações que compõem a luz branca, com exceção da verde.

4 Conceitos Básicos As fontes de luz se classificam em dois tipos: fontes de luz primárias e fontes de luz secundárias. Corpos Luminosos (ou Fonte de Luz Primária): são os que emitem luz própria. Por exemplo: o Sol, uma lâmpada elétrica incandescente ou fluorescente e um lampião. Corpos Iluminados (ou Fonte de Luz Secundária): são os que refletem a luz proveniente de uma fonte de luz primária. Por exemplo: a Lua, uma parede de uma sala que difunde no ambiente a luz recebida de uma lâmpada. A Lua e os planetas são fontes secundárias de luz Fonte de Luz Puntiforme Uma fonte de luz é chamada de puntiforme quando as suas dimensões são desprezíveis em relação à distância do objeto iluminado. Por exemplo: uma vela longe do objeto iluminado. Fonte de Luz Extensa Uma fonte de luz é chamada de extensa quando suas dimensões são consideráveis em relação à distância do objeto iluminado. Exemplo: uma vela próxima ao objeto iluminado. Meios Ópticos Corpos opacos: são os corpos que impedem a passagem da luz. Exemplos: madeira e metais. Corpos transparentes: são os corpos que se deixam atravessar totalmente pela luz. Corpos translúcidos: são os corpos que se deixam atravessar parcialmente pela luz. Note que um meio, por exemplo, a água, pode ser considerado transparente se a espessura da camada de água permitir a passagem da luz nas condições descritas acima, e pode ser considerado opaco se a espessura da camada de água for considerável, como no caso dos fundos dos oceanos. Raios de Luz É uma linha orientada que mostra o sentido de propagação da luz num meio.

5 Pincel de Luz I) Pincel Cônico Convergente: quando os raios de luz convergem para um ponto.

6 II) Pincel Cônico Divergente: quando os raios de luz divergem de um ponto. III) Pincel Cilíndrico: quando os raios de luz são paralelos.

7 LÂMPADA DE LUZ NEGRA: são lâmpadas de descarga elétrica cujo processo inicial produz luz branca com grande quantidade de ultravioleta. Tais lâmpadas são envoltas por bulbos de vidro transparente, azulados, conhecidos como máscara, que são pintados internamente com tinta preta (pigmento azul bem escuro e cola). Quando a luz incide no bulbo da lâmpada, estes pigmentos da tinta preta absorvem a maior parte da luz incidente, deixando passar apenas uma certa quantidade de ultravioleta. Ao passar da tinta para o vidro do bulbo, grande quantidade do ultravioleta, ao interagir com os pigmentos que colorem o vidro e com o próprio vidro, se transforma em violeta numa região do espectro muito próxima do ultravioleta (invisível). Como resultado do processo, temos uma lâmpada que emite luz violeta com uma pequena quantidade de ultravioleta. A luz violeta faz com que o ambiente se torne escuro e o ultravioleta provoca um efeito especial, chamado fluorescência, em alguns materiais de cor branca. Por essa razão, sob iluminação de luz negra vemos brilhantes as roupas brancas, os botões perolados, o "branco" do olho, os dentes (com exceção dos de porcelana). 1- Admita que o sol subitamente morresse, ou seja, sua luz deixasse de ser emitida. Vinte e quatro horas após esse evento, um eventual sobrevivente, olhando para o céu sem nuvens, veria a) a Lua e as estrelas. b) somente a Lua. c) somente as estrelas. d) uma completa escuridão. e) somente os planetas do sistema solar. 2 - Durante o dia, o céu visto da Terra é azul, porque a luz mais difundida pela atmosfera terrestre é a azul. Qual a cor do céu visto da Lua, durante o dia e durante a noite? 3 - Por que um corpo opaco tem cor vermelha ao ser iluminado pela luz solar? Se esse corpo estiver num recinto iluminado somente por luz azul, com que aparência será observado? 4 Associe os pincéis de luz. (a) cilíndrico, (b) cônico divergente, (c) cônico convergente, às situações físicas: I. ( ) Situação cotidiana em que um pincel de luz pode queimar um pedaço de papel. II. ( ) Luz proveniente de um satélite artificial. III. ( ) Parcela de luz emitida por um palito de fósforo aceso.

8 5 Associe a propriedade óptica do material (transparente, translúcido ou opaco) aos exemplos a seguir. a) Fina lâmina de água pura, em equilíbrio. ( ) b) Vidro canelado, usado em banheiros. ( ) c) Folha de alumínio de uso doméstico. ( ) d) Lente de contato. ( ) 6 A formação de sombra está relacionada a qual princípio óptico? 7 Numa sala escura para revelação fotográfica, acende-se uma lâmpada vermelha. Indique a cor que tomará um objeto normalmente azul. 8 Duas varetas (A e B) estão fincadas verticalmente no solo. Em uma determinada hora do dia, suas sombras medem respectivamente 20 cm e 60 cm. A altura da vareta A é de 30 cm. Qual a altura da vareta B? 9 Para se medir a altura de um edifício, utilizou-se uma haste de 1m de comprimento que, ao ser fixada no chão, proporcionou uma sombra de 1,5m. A sombra do edifício foi medida e obteve-se como resposta 18m. Qual a altura do edifício? Reflexão da Luz Reflexão Desordenada ou Difusão da Luz: é a reflexão que ocorre numa superfície irregular (rugosa). Nesta reflexão os raios espalham-se desordenadamente em todas as direções. Reflexão Regular ou Ordenada da Luz: é a reflexão que ocorre numa superfície lisa e polida. Os raios paralelos que incidem na superfície lisa refletem de forma ordenada. Exemplo: espelho.

9 Reflexão em Espelho Plano As leis da reflexão relacionam os raios incidentes, refletidos e a reta normal a superfície refletora. A primeira estabelece que as retas que definem os raios incidentes, refletido e reta Normal à superfície no ponto de incidência estão no mesmo plano. A segunda indica que o ângulo que o raio incidente faz com a normal (î) é igual ao ângulo que o raio refletido faz com a normal (r). Este ângulo se forma entre o raio e a reta Normal. A reta Normal é uma reta imaginária, sempre perpendicular ao plano. Em um espelho plano a imagem formada tem o mesmo tamanho do objeto, é direta, se forma atrás do espelho (sendo chamada de imagem virtual) e troca a esquerda pela direita (é revertida). Outra característica é que a distância da imagem ao espelho (d') é a mesma do objeto ao espelho (d).

10 Combinando dois espelhos planos pode-se obter múltiplas imagens de acordo com o ângulo formado entre eles. O número de imagens (N) é obtido dividindo o ângulo total de uma circunferência (360 ) pelo ângulo entre os dois espelhos (a) menos um: Para dois espelho alinhados, o ângulo vale 180 e o número de imagens formadas é N = 1. Para dois espelhos dispostos perpendicularmente entre si, vale 90 e o número de imagens formadas é N = 3. Observações: No caso dos espelhos associados em ângulo é bom notar que se 360 não for divisível por formam-se imagens parciais ou incompletas. Três princípios básicos da óptica geométrica norteiam os estudos da reflexão. O primeiro é o princípio da propagação retilínea da luz. O segundo estabelece a reversibilidade dos raios luminosos, por exemplo, quando vemos uma pessoa através do espelho ela também pode nos ver. Finalmente, há o princípio da independência dos raios luminosos, que determina que quando dois raios se cruzam eles não afetam a propagação um do outro. ponto objeto é o vértice do pincel de luz que chega ao sistema óptico. ponto imagem é o vértice do pincel de luz que sai do sistema óptico. ponto real é formado por raios de luz de verdade ponto virtual é formado por prolongamentos dos raios de luz

11 Exercícios 10. Nos espelhos planos, a imagem é: a) direita, virtual e do mesmo tamanho que o objeto. b) invertida, real e menor do que o objeto. c) direita, real e do mesmo tamanho que o objeto. d) invertida, virtual e menor que o objeto. 11.Um feixe de raios paralelos, quando refletido por um espelho plano: a) é difundido. b) conserva-se paralelo. c) converge. d) diverge. 12.Considere um raio de luz incidente em um espelho. O ângulo de incidência é formado pelo raio incidente e: a) o raio refletido. b) a normal ao espelho no ponto de incidência. c) o plano tangente ao espelho no ponto de incidência. d) uma perpendicular ao raio incidente. 13.Um raio de luz incide perpendicularmente em uma superfície espelhada, portanto: a) ele é dito rasante. b) seu ângulo de incidência vale 90º c) seu ângulo de incidência é nulo. d) seu ângulo de emergência é o ângulo limite. 14. Uma pessoa pode ver sua imagem formada mediante um espelho porquê o espelho: a) transmite a luz. b) difunde a luz. c) absorve a luz. d) reflete a luz.

12 15.A distância entre um objeto e um espelho metálico plano é de 60 cm. Qual é a distância entre esse objeto e sua imagem conjugada por esse espelho? 16.Se um objeto que está em frente a um espelho plano aproxima-se 5 cm do espelho, de quanto varia a distância entre o objeto e sua imagem conjugada pelo espelho? 17.Uma sala retangular, de lados 3m e 6m, tem um espelho plano na parede de maior comprimento. Um observador O se encontra no centro da sala e, olhando para o espelho, consegue visualizar toda a lateral da parede oposta à que contém o espelho. A largura mínima do espelho é: 18.Uma menina deseja colocar na parede de seu quarto um espelho plano vertical para que possa se ver de corpo inteiro ao experimentar suas roupas. A menina tem 1,60 m de altura e seus olhos encontram-se a 10 cm do topo da cabeça. Determine: a) a menor altura que o espelho deve ter para que a menina veja sua imagem inteira. b) a que altura a borda inferior do espelho deve ficar do chão. 19.A figura mostra uma vista superior de dois espelhos planos montados verticalmente, um perpendicular ao outro. Sobre o espelho A incide um raio de luz horizontal, no plano do papel, mostrado na figura. Após reflexão nos dois espelhos, o raio emerge formando um ângulo com a Normal ao espelho B. Quanto vale

13 20.Na figura, o ponto azul representa um observador que olha para o espelho plano. Os pontos P, Q, R, S, T, U, V, X representam objetos luminosos. Determine, dentre os objetos dados, aqueles que são visíveis por reflexão no espelho para o observador. Gabarito 1 C. Apenas objetos que possuíssem luz própria, ou seja, as fontes primárias de luz. Portanto, as estrelas. 2 Na Lua não existe atmosfera, conseqüentemente, não há difusão da luz no céu. Portanto, o céu na Lua é negro durante o dia e durante a noite. Vemos os astros luminosos com grande nitidez.

14 3 Um corpo mostra-se vermelho, quando iluminado com luz branca, porque reflete a luz vermelha e absorve as demais radiações. Num recinto iluminado com luz azul o corpo mostrar-se-á preto. 4 I (c ) II (a ) III (b ) 5 a) transparente b) translúcido c) opaco d) transparente 6 Princípio da Propagação Retilínea da Luz 7 O objeto tomará a cor preta 8 90 cm 9 12m 10 a 11 b 12 b 13 c 14 d cm cm 17 2 m 18 a) 80 cm b)75 cm 19 20

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