FACULDADE PITÁGORAS LUZ E ONDAS. Prof. Ms. Carlos José Giudice dos Santos

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1 FACULDADE PITÁGORAS LUZ E ONDAS Prof. Ms. Carlos José Giudice dos Santos carlos@oficinadapesquisa.com.br

2 A LUZ E SUA NATUREZA [1] O estudo da luz na física chama-se óptica. É importante destacar que existem as palavras ótica e ótico, que estão relacionadas a fenômenos da audição. Assim, quando a pessoa tem uma otite (inflamação do ouvido), ela deve procurar um médico, nesse caso, um otorrinolaringologista, pois se essa inflamação atingir o nervo ótico (dentro do ouvido) ela pode perder a audição. Na língua portuguesa ainda existem as palavras óptica e óptico, que estão relacionadas a fenômenos da visão. O nervo que leva as informações coletadas pelos olhos (diferentes níveis de luz) ao cérebro, onde se formam as imagens, é o nervo óptico.

3 A LUZ E SUA NATUREZA [2] Na Física, a Óptica é o estudo da luz. É importante destacar que existem dois grandes campos de estudo da óptica: a Óptica Física e a Óptica Geométrica. A Óptica Física estuda a natureza e o comportamento da luz. Durante muito tempo vários físicos questionaram: a luz é feita de quê? Em outras palavras, é uma partícula ou uma onda? Se a luz for uma partícula, o seu estudo baseia-se na teoria corpuscular da luz. Se a luz for uma onda, o seu estudo baseia-se na teoria ondulatória da luz.

4 A LUZ E SUA NATUREZA [3] Sir Isaac Newton considerava que a luz se comportava como se ela fosse feita de partículas, e assim ele formulou uma " teoria da natureza corpuscular da luz." Este modelo afirma que a luz consiste num fluxo de partículas muito pequenas que são emitidas por fontes luminosas. A ideia de partícula agradou muito a Newton, pois encaixava-se em sua concepção de mundo, isto é, um modelo mecânico, determinista, de corpos materiais em movimento, em que seria possível determinar várias grandezas e também conseguia explicar fenômenos físicos como a reflexão e a refração, já conhecidos em sua época.

5 A LUZ E SUA NATUREZA [4] Outros físicos importantes, como Robert Hooke e Christiaan Huygens consideravam que a luz se comportava como uma onda, defendendo a teoria ondulatória da luz. Robert Hooke ( )

6 A LUZ E SUA NATUREZA [5] Coube ao físico e médico inglês Thomas Young demonstrar, com sólidos resultados experimentais, o fenômeno de interferência luminosa, que tem por consequência a aceitação da teoria ondulatória. Na experiência realizada por Young, são utilizados três anteparos, sendo o primeiro composto por um orifício, onde ocorre difração da luz incidida, o segundo, com dois orifícios, postos lado a lado, causando novas difrações. No último, são projetadas as manchas causadas pela interferência das ondas resultantes da segunda difração. Ao substituir-se estes orifícios por fendas muito estreitas, as manchas tornam-se franjas, facilitando a visualização de regiões mais bem iluminadas (máximos) e regiões mal iluminadas (mínimos).

7 A LUZ E SUA NATUREZA [6]

8 A LUZ E SUA NATUREZA [7] Atualmente a teoria aceita sobre a natureza da luz é a dualidade onda-partícula, enunciada pelo físico francês Louis-Victor de Broglie, baseado nas conclusões sobre as características dos fótons, de Albert Einstein. Em outras palavras, podemos considerar que a luz comporta-se como onda e também como uma partícula. O físico Henrich Hertz descobriu o efeito fotoelétrico (emissão de elétrons em uma superfície metálica em função de uma interação dessa superfície com uma onda eletromagnética) no ano de 1886, mas foi Einstein que conseguiu explicá-lo por meio de equações matemáticas, ganhando o prêmio Nobel por esse trabalho em 1921.

9 A ÓPTICA GEOMÉTRICA [1] A Óptica Geométrica preocupa-se em estudar os fenômenos luminosos a partir de leis empíricas (baseadas em experimentos) usando a geometria como ferramenta de estudo. Para realizar esse estudo, não existe uma preocupação em se conhecer a natureza física da luz. Aquilo que comumente chamamos de raios luminosos são linhas que representam a direção e o sentido de propagação da luz. A ideia de raio de luz é puramente teórica e tem o objetivo de facilitar o estudo. Um conjunto de raios luminosos cuja abertura entre os raios é relativamente grande é chamado de Feixe Luminoso.

10 FEIXES LUMINOSOS Cônico divergente: Os raios luminosos partem de um único ponto (P) e espalham-se. Cônico convergente: Os raios luminosos concentram-se em um único ponto (P). Cilíndrico: Os raios luminosos são todos paralelos entre si. Nesse caso, a fonte de luz encontra-se no infinito e é chamada de fonte imprópria.

11 FONTES LUMINOSAS [1] Para que um corpo qualquer possa ser visto por nós é necessário que raios de luz com origem nesses corpos cheguem até os nossos olhos. A origem de todo e qualquer raio ou feixe luminoso são as fontes luminosas. Existem quatro tipos de fontes luminosas, a saber: 1. Fontes primárias: são corpos que possuem luz própria. Por exemplo, o sol, as estrelas, lâmpadas acesas, etc. 2. Fontes secundárias: são corpos que não possuem luz própria, ou seja, enxergamos eles porque eles refletem a luz proveniente de fontes primárias. Por exemplo: planetas, luas e qualquer objeto que não seja uma fonte primária de luz.

12 FONTES LUMINOSAS [2] 3. Fontes incandescentes: são fontes de luz primárias que emitem luz quando se encontram em uma temperatura alta. Por exemplo, o sol, a chama de uma vela, o filamento de uma lâmpada incandescente, etc. 4. Fontes luminescentes: são fontes de luz primárias que emitem luz em baixas temperaturas. Podem ser fluorescentes (emitem luz enquanto existir um agente excitador) ou fosforecentes (emitem luz por algum tempo após o agente excitador ser desligado. Aqui também se enquadram as fontes bioluminescentes (emitem luz a partir de reações químicas em seres vivos, como é o caso de alguns peixes e insetos).

13 REFLEXÃO E REFRAÇÃ0 DA LUZ [1] A reflexão da luz é um fenômeno que ocorre quando um raio luminoso incide sobre uma superfície, formando um ângulo em relação ao eixo normal à superfície. Esse raio luminoso é refletido, formando um ângulo em relação ao eixo normal à superfície. Já a refração ocorre quando um raio incide sobre uma superfície que separa dois meios com diferentes permissividades à passagem da luz, formando um ângulo em relação à normal à superfície. Quando isso acontece, o raio luminoso não é refletido, penetrando assim no segundo meio com um ângulo em relação ao eixo normal da superfície. Veja a figura para entender melhor.

14 REFLEXÃO E REFRAÇÃ0 DA LUZ [2]

15 REFLEXÃO E REFRAÇÃ0 DA LUZ [3] Para entender melhor esses dois fenômenos, imagine que você está em frente a uma vitrine de uma loja em uma rua. A imagem da rua que você vê na vitrine acontece devido ao fenômeno da reflexão. Aquilo que você consegue enxergar através do vidro, dentro da loja, acontece devido ao fenômeno da refração. Existem três propriedades que são essenciais para se compreender os dois fenômenos, a saber: 1. O raio incidente, o raio refletido, o raio refratado e a normal à superfície pertencem sempre ao mesmo plano; 2. O ângulo de reflexão e o ângulo de incidência são sempre iguais independente do tipo de luz (ou seja, não depende do comprimento de onda) e do meio;

16 REFLEXÃO E REFRAÇÃ0 DA LUZ [4] 3. Se um raio luminoso refratar (passar de um meio a para um meio b), os ângulos e estão relacionados com os índices de refração de cada meio (a e b) pela fórmula:. =. Onde: é o índice de refração do meio a é o índice de refração do meio b O índice de refração é calculado pela fórmula: = Onde: c é a velocidade da luz no vácuo (3 x 10 8 m/s) v é a velocidade da luz em um determinado meio. Importante ressaltar que o valor de n é sempre maior que 1.

17 APLICAÇÃO DA REFLEXÃO DA LUZ Uma das principais aplicações práticas do fenômeno da reflexão da luz são as fibras ópticas. A fibra óptica é um filamento de sílica ou vidro muito puro, extremamente fino e flexível. Sua estrutura é composta por uma capa protetora, interface e núcleo. A transmissão dos dados é feita como auxílio de um fotoemissor que transforma sinais elétricos em pulsos de luz por meio de um processo conhecido como reflexão total interna, permitindo que a luz viaje por longas distâncias sofrendo pouca atenuação do sinal. Por ter dimensões reduzidas, ser imune a perturbações eletromagnéticas e conseguir transmitir grandes quantidades de dados, a fibra óptica tem substituído as tecnologias convencionais de transmissão de dados.

18 EXERCÍCIO DE FIXAÇÃO [1] (MACKENZIE) A velocidade de propagação da luz em determinado líquido é 80% daquela verificada no vácuo. O índice de refração desse líquido é: a) 1,50 b) 1,25 c) 1,00 d) 0,80 e) 0,20

19 EXERCÍCIO DE FIXAÇÃO [2] Um raio de luz atravessa a interface entre o ar e um líquido desconhecido, mudando sua direção conforme mostra a figura abaixo. Sabendo que o índice de refração do ar é 1, calcule o índice de refração do líquido. Dados: sen35º = 0,57 e sen20º = 0,34. Resposta: n = 1,67

20 EXERCÍCIO DE FIXAÇÃO [3] Analise as proposições a seguir sobre a reflexão da luz: I O fenômeno da reflexão ocorre quando a luz incide sobre uma superfície e retorna ao seu meio original; II Quando ocorre reflexão difusa, a imagem formada é bastante nítida; III Na reflexão regular, os raios de luz propagam-se de forma paralela uns aos outros; IV Quando a luz é refletida por uma superfície, o ângulo de reflexão é sempre igual ao ângulo de incidência da luz. Estão corretas: a) I, II e III apenas b) I, III e IV apenas c) I, II e IV apenas d) II, III e IV apenas e) todas afirmativas estão corretas

21 EXERCÍCIO DE FIXAÇÃO [4] (PUC SP) O ângulo de incidência, em um espelho plano, é de 30º. Qual o valor do ângulo formado entre o raio refletido e a superfície? a) 30º b) 60º c) 90º d) 150º e) -30º

22 EXERCÍCIO DE FIXAÇÃO [5] O ângulo entre um raio de luz que incide em uma superfície e o raio de luz refletido por ela é igual a 80º. Qual é o ângulo entre o raio incidente e a reta normal? E qual é o ângulo entre o raio refletido e a superfície? a) 80º b) 40º c) 50º d) 20º e) 30º