Projeto CAPAZ Básico Física Óptica 1

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2 Introdução Ao assistir à aula, você teve acesso a alguns conceitos que fazem parte da física óptica. Refletiu sobre o conceito de luz, seus efeitos, de que forma ela está relacionada à nossa visão e conheceu alguns tipos de lentes. Hoje, relembraremos e aprofundaremos os principais conceitos que envolvem a física voltada ao dia a dia do profissional ótico. RELEMBRAR, FIXAR, APROFUNDAR Ótica é a parte da física que estuda os fenômenos da luz e da visão. A óptica oftálmica abrange o estudo dos olhos, da visão, das lentes e armações dos óculos. Para compreender este universo, também é necessário conhecer o mecanismo físico que envolve a óptica. Nesta aula seu objetivo principal é: Entender a FÍSICA que envolve a profissão ÓPTICA A Física Óptica estuda as propriedades da luz, sua interação com objetos e com ela mesma. Ela ocupa-se de aspectos do comportamento da luz, tais como emissão, composição, absorção, polarização, interferência e difração. É um ramo da Física que estuda a luz e os fenômenos luminosos, o que inclui sua reflexão e refração. 2

3 O QUE É LUZ? De uma maneira bem simples, conceituamos luz como uma entidade quântica. Portanto, ela pode se comportar tanto como onda quanto como partícula. Mas qual é a diferença entre estes comportamentos? Quando afirmamos que ela se comporta como partícula, estamos nos referindo ao átomo. Há algumas décadas, considerava-se que o átomo era a menor porção em que se poderia dividir a matéria. Posteriormente, descobriu-se que o átomo era subdividido em partículas menores e, atualmente, já se sabe que estas também são formadas por outras partículas. Por mais que um elemento químico possa ser dividido, ele ainda manterá suas propriedades físico-químicas. Ou seja, um átomo, isoladamente, não tem ponto de fusão e de ebulição, volume molar, nem densidade, mas tem raio atômico, raio iônico e ENERGIA. Portanto, os átomos são constituídos de partículas subatômicas. As mais conhecidas são os prótons, nêutrons e elétrons. 3

4 Imagem do átomo com suas partículas: no núcleo, nêutrons e prótons, e nas camadas quânticas os elétrons que giram em torno do núcleo. O átomo é formado por duas regiões básicas: o núcleo atômico e a eletrosfera, nas quais se situam suas partículas componentes. O núcleo é constituído de prótons (cargas positivas) e nêutrons (cargas neutras). Os nêutrons estabilizam o núcleo, uma vez que cargas de mesmo sinal tendem a se repelir. A eletrosfera é composta por camadas de elétrons que ficam girando em volta do núcleo. Para manter o equilíbrio do átomo, as cargas têm que estar eletricamente neutras. Por isso, quanto maior o número de prótons (carga positiva) no núcleo tanto quanto haverá de elétrons (carga negativa) girando em torno do núcleo. Entretanto, a camada de elétrons é instável em alguns casos, e quando um elétron muda de camada acontece uma explosão de energia. Essa energia liberada chama-se fóton e é desta energia que provém a luz. 4

5 Você sabia? O átomo é a unidade fundamental da matéria, o que significa dizer que toda matéria é constituída de átomos, que se aglomeraram para ficarem estáveis. Uma vez partilhados eletronicamente, os átomos podem possuir entre si uma ligação tão forte que para separá-los é necessária uma quantidade razoável de energia. Portanto, permanecem juntos. Essas combinações são chamadas de moléculas, nome derivado do latim que significa pequeno objeto. Quanto maior a molécula e mais instável a distribuição de sua carga elétrica (elétrons), mais provável será a reunião de muitas moléculas e a formação de substâncias líquidas ou sólidas. Os sólidos são mantidos fortemente coesos pelas interações eletromagnéticas dos elétrons e prótons e entre átomos diferentes e entre moléculas diferentes. Os átomos estão em nosso corpo, na cadeira, na mesa, no ar, em toda parte. À esquerda, a molécula da água, formada por dois átomos de hidrogênio (H) e um átomo de oxigênio. À direita, outro exemplo, agora de uma molécula de bicarbonato de sódio, composta por um átomo de Sódio (Na), um átomo de hidrogênio (H), um átomo de carbono (C) e três de oxigênio. Portanto, quando nos referimos à luz como partícula, estamos nos referindo a esta combinação entre prótons, nêutrons e elétrons que compõem o átomo, aos átomos que constituem as moléculas e às moléculas que estão presentes em toda e qualquer substância. A dualidade do comportamento onda-partícula foi descoberta por Albert Einstein: a luz exibe simultaneamente propriedades de onda e partícula. 5

6 Em alguns aspectos um fóton atua como uma partícula, por exemplo, quando registrado por um mecanismo sensível à luz como uma câmera. Em outras ocasiões, um fóton se comporta como uma onda, tal como quando passa através de uma lente ótica. De acordo com a conhecida dualidade partícula-onda da mecânica quântica, é natural para um fóton apresentar ambos os aspectos na sua natureza, de acordo com as circunstâncias em que se encontra. Normalmente, a luz é formada por um grande número de fótons, tendo a sua intensidade ou brilho ligado ao número deles. LUZ E ONDA São fenômenos diferentes entre si, mas têm em comum a característica de serem ondas, assim como a própria luz que é uma onda, e os sinais de rádio ou um terremoto. De fato, costumamos falar em ondas sonoras, ondas luminosas, ondas de rádio e ondas sísmicas. O conceito de onda é bastante abrangente, pois é utilizado em todos os campos da Física. Considere, por exemplo, o que acontece quando lançamos uma gota de água ou uma pedra em um tanque tranquilo. Uma configuração circular se estende a partir do ponto de impacto. Uma perturbação deste tipo se denomina onda. Se observarmos de bem perto como uma onda desta espécie se move pela superfície do líquido, constataremos que, apesar da água poder ser agitada localmente, ela não se desloca com a onda. Isto fica perfeitamente claro se observarmos um pedaço de madeira 6

7 ou uma pequena mancha de óleo que flutua no tanque. A madeira ou o óleo sobem e descem ao passar a onda, mas não caminham com ela. Quanto à origem, uma onda pode ser classificada em onda mecânica e onda eletromagnética. Estudaremos as ondas eletromagnéticas que estão ligadas ao fenômeno da luz. Ondas mecânicas são as ondas produzidas por uma perturbação num meio material, como, por exemplo, uma onda na água, a vibração de uma corda de violão, a voz de uma pessoa, entre outros. Ondas eletromagnéticas são produzidas por variação de um campo elétrico e um campo magnético, tais como as ondas de rádio, de televisão, as microondas e outras mais. As ondas eletromagnéticas não precisam de um meio de propagação, logo, podem propagar-se no vácuo. As ondas mecânicas não têm essa possibilidade. Fisicamente, uma onda é um pulso energético que se propaga através do espaço ou através de um meio líquido, sólido ou gasoso. Segundo alguns estudiosos, e até agora observado, nada impede que uma onda magnética se propague no vácuo ou através da matéria. É o caso das ondas eletromagnéticas no vácuo ou dos neutrinos através da matéria onde as partículas do meio oscilam à volta de um ponto médio, mas não se deslocam. É caracterizada pelo comprimento. A periodicidade no tempo é medida pela frequência da onda, que é o inverso do seu período. Estas duas grandezas estão relacionadas pela velocidade de propagação da onda. 7

8 A LUZ E O OLHO HUMANO A luz, na forma como a conhecemos, é uma gama de comprimentos de onda a que o olho humano é sensível. Trata-se de uma radiação eletromagnética pulsante, a qual o olho humano só consegue perceber a determinado comprimento de onda. Esta longitude de onda é conhecida como luz visível. Dentro deste espectro se encontram todas a cores que vemos. A figura mostra o comprimento ou longitude de onda da luz, faz uma comparação em tamanho e exemplifica como são usadas as outras faixas de onda. 8

9 A Física estuda fenômenos envolvendo a luz visível, infravermelha e ultravioleta; entretanto, uma vez que a luz é uma onda eletromagnética, fenômenos análogos acontecem com os raios X, microondas, ondas de rádio, e outras formas de radiação eletromagnética. FÍSICA ÓPTICA E GEOMÉTRICA Para enxergar as coisas a seu redor, o ser humano sempre necessitou de luz (luz do Sol, de tocha, de vela, de lâmpada). Sem ela seria impossível viver. Afinal, como seria o mundo sem luz? A luz, além de ser uma forma de energia radiante que se propaga por meio de ondas eletromagnéticas, é o agente físico responsável pela produção da sensação visual. Isso é possível por uma série de fenômenos físicos. Os corpos luminosos são corpos emitentes de luz própria, outros enviam a luz que recebem. Estes são chamados corpos iluminados. Tomando como referência a propagação da luz, temos: transparência, opacidade ou translucidez. Os meios transparentes permitem a propagação da luz que possibilita ver os objetos com nitidez, os opacos não permitem a propagação da luz, nos translúcidos a propagação é parcial, irregular. O estudo da luz é realizado pela Óptica, que é dividida, em: ÓPTICA GEOMÉTRICA - Estuda e analisa o comportamento e a trajetória da propagação luminosa. ÓPTICA FÍSICA - Estuda a natureza da luz. Para podermos entender este fenômeno precisamos ter em mente os conceitos: 9

10 Fontes de Luz Todos os corpos que emitem luz são chamados fontes de luz. Podemos distinguir dois tipos: Fontes primárias ou corpos luminosos: são as fontes que possuem luz própria. Exemplos: o Sol, as estrelas, uma lâmpada acesa, entre outros. Fontes secundárias ou corpos iluminados: são as fontes que não têm luz própria. Exemplos: a Lua, o livro, o tecido, uma caneta, uma parede, entre outros. Quanto ao tipo, classificamos a luz emitida pelas fontes em: Luz monocromática ou simples: é a luz de uma única cor, como a luz monocromática amarela emitida pelo vapor de sódio, nas lâmpadas. Luz policromática ou luz composta: é a luz resultante da mistura de duas ou mais cores, como a luz branca do Sol ou a luz emitida pelo filamento incandescente da lâmpada comum. A luz branca emitida pelo Sol é uma luz policromática, constituída por um número infinito de cores, as quais podem ser divididas em sete cores principais (as cores do arco íris): vermelho, alaranjado, amarelo, verde, azul, anil e violeta. Velocidade da Luz Para qualquer que seja o tipo de luz, verifica-se que sua velocidade de propagação no vácuo é constante e, aproximadamente, igual a km/s. Mas nos meios materiais a velocidade da luz assume valores diferentes, sempre menores que km/s, e em qualquer meio decresce no sentido da luz vermelha para a violeta. 10

11 Raio de Luz Linha orientada que representa a trajetória seguida pela luz. Feixe Luminoso ou Pincel de Luz É um conjunto de raios luminosos. Existem três tipos de feixes luminosos. Paralelos; Convergentes; Divergentes. Meios Ópticos Existem 3 tipos de meios ópticos: Meio Transparente é aquele meio que permite a propagação regular da luz possibilitando a formação de uma imagem nítida dos objetos. Exemplos: ar, vidro, lente oftálmica, entre outros. Meio Translúcido é o meio que permite a propagação irregular da luz. O observador não vê o objeto com nitidez através do meio. Exemplos: vidro fosco, papel vegetal, tecido fino, entre outros. Meio Opaco é o meio que não permite a propagação da luz. Exemplos: parede, madeira, tijolo, entre outros. Princípios da Óptica Geométrica Os estudos sobre a óptica são feitos basicamente através do conceito do raio de luz e princípios da propagação geométrica. São estes: Princípio da propagação retilínea da luz: "Nos meios transparentes e homogêneos a luz se propaga em linha reta." Exemplo: a formação de sombras e penumbras. 11

12 Princípio da independência dos raios luminosos: "Se dois ou mais raios de luz, vindos de fontes diferentes, se cruzam, eles seguem suas trajetórias de forma independente, como se os outros não existissem." Exemplo: O uso simultâneo de vários refletores durante um show. Princípio da reversibilidade dos raios de luz: "Se um raio de luz se propaga em uma direção e em sentido arbitrário, outro poderá propagar-se na mesma direção e em sentido oposto." Exemplo: quando olhamos pelo espelho de um retrovisor e percebemos que alguém nos observa através dele." FENÔMENOS ÓPTICOS A luz branca (luz emitida pelo Sol ou por uma lâmpada incandescente) é constituída por uma infinidade de luzes monocromáticas, as quais podem ser divididas em 7 cores principais: vermelho, alaranjado, amarelo, verde, azul, anil e violeta. A luz se movimenta em linha reta e este movimento nos traz a visibilidade dos objetos. Quando ela alcança as formas, ganha tamanhos, cores e detalhes, refletindo-os para a nossa visão. Com esse efeito, os objetos são interpretados pela visão e enviados ao cérebro como imagem. Sem a luz os seres vivos seriam incapazes de enxergar. Para a ótica oftálmica, a luz, ao incidir sobre a superfície plana que separa dois meios, pode provocar simultaneamente, com maior ou menor intensidade, os seguintes fenômenos: reflexão regular, reflexão difusa, refração e absorção. Reflexão Regular O feixe de raios paralelos que se propaga no meio 1 incide sobre a superfície e retorna ao meio 1, mantendo o paralelismo (vide figura). É o que acontece, por exemplo, sobre a superfície plana e polida de um metal. Meio 1 Meio 2 Superfície 12

13 Reflexão difusa O feixe de raios paralelos que se propaga no meio 1 incide sobre a superfície e retorna ao meio 1, perdendo o paralelismo e espalhando-se em todas as direções (vide figura). A difusão ocorre devido às irregularidades na superfície. A reflexão difusa é responsável pela visão dos objetos que nos cercam. Meio 1 Meio 2 Superfície Refração O feixe de raios paralelos que se propaga no meio 1 incide sobre a superfície e passa a se propagar no meio 2 (vide figura). É o que acontece quando a luz se propaga no ar e incide sobre a superfície livre da água de uma piscina. A refração neste caso é regular, permitindo a uma pessoa ver o Sol, mesmo no fundo da piscina. Se o meio 2 for translúcido, como o vidro fosco, os raios refratados perdem o paralelismo e a refração é difusa. Meio 1 Meio 2 Superfície Absorção O feixe de raios paralelos que se propaga no meio 1 incide sobre a superfície e não se propaga no meio 1, nem passa a se propagar no meio 2, ocorrendo a absorção de luz (vide figura). Como a luz é uma forma de energia, sua absorção ocasiona aquecimento. Meio 1 Meio 2 Superfície 13

14 Luz Incidente Meio 1 S Meio 2 Luz Refletida Luz Absorvida Luz Refratada A luz propaga-se num Meio 1 e incidindo sobre a superfície S de separação com o Meio 2, pode apresentar simultaneamente os fenômenos: reflexão, refração e absorção. Cores dos Objetos A cor apresentada por um corpo, ao ser iluminado, depende do tipo de luz que ele reflete difusamente. A luz branca é constituída por uma infinidade de cores que podem ser divididas nas sete cores do arco-íris. Um observador vê cada corpo com uma determinada cor, da seguinte maneira: se a luz incidente no corpo é branca (composta de todas as cores) e o corpo absorve toda a gama de cores, refletindo apenas a azul, o corpo é de cor azul. Dessa forma, o corpo branco é aquele que reflete difusamente toda a luz branca incidente e o corpo negro é aquele que absorve todas as cores, não refletindo difusamente nenhuma cor. 14

15 FINALIZANDO Nesta aula, você adquiriu conhecimentos sobre física óptica e geométrica. Você teve acesso ao estudo do átomo, da energia, das ondas eletromagnéticas e recebeu informações sobre a luz. Conheceu o mundo da física que envolve a óptica, a fim de criar base para o entendimento de informações futuras e complexas. Esta aula deu início ao conhecimento necessário para entender as leis da refração e lentes oftálmicas, conteúdos essenciais para o desenvolvimento do profissional óptico. Assista ao vídeo, estude os arquivos complementares e faça os testes. 15

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