Ótica. Disciplina: Física Prof. Igor Chaves

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1 Ótica Disciplina: Física Prof. Igor Chaves

2 Introdução Dos nossos sentidos, a visão tem o papel mais importante para conhecermos o mundo que nos rodeia. Muito provavelmente por isso a Ótica é uma ciência muito antiga. Filósofos gregos, como Platão e Aristóteles, já tentavam responder questões como: Por que vemos um objeto? O que é a luz? Entretanto, tais respostas só foram obtidas muito tempo depois, quando cientistas como Newton, Huyghens, Young, Maxwell e Einstein, propuseram novas teorias para explicar os diversos fenômenos luminosos que ocorrem na natureza.

3 Teorias Primordiais Aristóteles (384 a.c a.c. ) - Da mesma forma que a voz humana põe em movimento o ar ambiente que agita algum elemento do ouvido, o objeto luminoso vibra, pondo em movimento um meio indefinido, o que ele chamou de diáfano. Demócrito (460 a.c a.c. ) - Baseado no conceito de atomicidade, acreditava que o feixe luminoso provinha dos objetos e penetrava nos olhos para formar a imagem. Pitágoras ( a.c.) Presumia que a visão era causada por algo emitido pelo olho, um fluxo visual. Tales de Mileto ( a.c.) - Foi o primeiro grego a sustentar que a Lua brilhava devido ao reflexo da luz solar.

4 Este conflito de idéias predominou até o século XVII Quem poderá nos ajudar? OU

5 Natureza da Luz Isaac Newton ( ) Teoria Corpuscular : a luz era considerada como um feixe de partículas emitidas por uma fonte de luz que atingia o olho estimulando a visão. Descobriu a dispersão da luz num espectro colorido por meio da refração através de um prisma - Acreditava que a luz era composta por corpúsculos, que eram disviados pelo prisma de acordo com o seu tamanho. Conseguiu explicar o porquê da ordem das cores do arco-íris.

6 Natureza da Luz Thomas Young ( ): Teoria ondulatória: Em 1803, Young realizou uma experiência demonstrando que a luz possuía natureza ondulatória. Difração: o desvio sofrido por ondas ao passarem por um obstáculo, tal como as bordas de uma fenda em um anteparo.

7 Velocidade da Luz Primeiras tentativas Galileu foi o primeiro a propor um método para tentar medi-la. A sugestão de Galileu era colocar, o mais afastado possível um do outro, dois homens com lanternas que podiam acender e apagar. Um deles A, descobria sua lanterna, de modo que o outro B, pudesse vê-la. Por sua vez B, descobria a sua no instante em que ele visse a luz de A, e A media o tempo entre descobrir sua lanterna e enxergar a luz de B.

8 Velocidade da Luz Experiências realizadas nos séculos XVIII e XIX mostraram que a velocidade da luz é muito grande, mas é finita. A primeira medida da velocidade da luz, feita na própria Terra, sem usar métodos astronômicos, foi realizada por Hippolyte FIZEAU, em C = 3,13x108 m/s No século XIX, o cientista francês L. Foucault, medindo a velocidade da luz em diferentes meios (ar/água), verificou que a velocidade da luz era maior no ar do que na água. C = 2,98 x108 m/s

9 Velocidade da Luz Baseando-se em medidas atuais o valor da velocidade da luz no vácuo é 3x108 m/s. Assim, um objeto viajando à velocidade da luz daria 7,5 voltas na terra em apenas 1 s. A velocidade da luz depende do meio no qual a onda se propaga, na água, por exemplo, a luz se propaga a uma velocidade de Km/s, no diamante sua velocidade é Km/s Curiosidade: Ano-Luz corresponde à distância percorrida pela luz num período de 1 ano. 1 Ano - luz = Km

10 Velocidade da Luz Na segunda metade do século XIX, James Clerk Maxwell através da sua teoria de ondas eletromagnéticas, provou que a velocidade com que a onda eletromagnética se propagava no espaço era igual à velocidade da luz. Conclusão: A luz é uma modalidade de energia radiante que se propaga através de ondas eletromagnéticas. Elementos de uma onda: Comprimento de onda, frequência e velocidade

11 Frequência: Número de oscilações por segundo. Ela é medida em Hertz (Hz) Comprimento de onda: Distância entre dois picos (ou dois vales). Esse valor é fixo para uma mesma onda. Geralmente medida em metros e seus submúltiplos, como o nanômetro. Velocidade: Velocidade de propagação da onda. No caso de ondas eletromagnéticas, é a mesma da luz, m/s A Frequência de uma onda é inversamente proporcional ao seu comprimento de onda, ou seja, ondas com frequências altas tem pequenos comprimentos de ondas

12 Tudo Resolvido? NÃO!!!

13 Efeito fotoelétrico A teoria ondulatória não conseguia explicar o fenômeno de emissão fotoelétrica (experimento realizado por Hertz), que é a ejeção de elétrons quando a luz incide sobre um condutor. Einstein ( ), usando a idéia de Planck (1900), mostrou que a energia de um feixe de luz era concentrada em pequenos pacotes de energia, denominados fótons, que explicava o fenômeno da emissão fotoelétrica.

14 Efeito fotoelétrico Os fótons interagem um a um com os elétrons livres do material e eles precisam ter energia suficiente para arrancar os elétrons (essa energia varia de acordo com o material - função trabalho) Energia dos elétrons depende da frequência da luz incidente, quanto maior a frequência maior a energia. Quando aumentamos a intensidade da luz, estamos aumentando a quantidade de fótons emitidos e não a energia destes. O efeito fotoelétrico evidencia um caráter discreto da luz (parecido com partículas)

15 Dualidade Onda-Partícula Segundo Einstein: E = h.f ou E = h.c / λ h = constante de Plank ( h = 6,63 x10-34 J/s) f é a frequência, número de ciclos por segundo (Hz) c = velocidade da luz no meio (m/s) A natureza corpuscular da luz foi confirmada por Compton (1911). Verificou que quando um fóton colide com um elétron, eles se comportam como corpos materiais.

16 Dualidade Onda-Partícula A propagação da luz ocorre de acordo com suas propriedades ondulatórias, enquanto a troca de energia entre a luz e a matéria é regida por sua natureza corpuscular. Assim, existe uma dualidade onda-partícula na natureza da luz.

17 Espectro eletromagnético O espectro eletromagnético apresenta vários tipos de ondas eletromagnéticas: ondas de rádio, microondas, radiação infravermelha, luz (radiações visíveis), ultravioleta, raios X e raios gama. As ondas diferem entre si pela freqüência e se propagam com a mesma velocidade da luz no vácuo. V = λ.f

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19 Temas dos Seminários 1 - Ondas de rádio, TV e Wifi 2 Microondas e Ondas infravermelhas 3 - Luz visível e Ultra violeta 4 - Raio X e Raio Gama 5 - Radiações ionizantes (Radiação Alfa, Beta e Gama) Data das apresentações: Valor: 1,5 pontos

20 Ótica Geométrica

21 Como enxergamos os objetos?

22 Porque enxergamos os objetos de uma determinada cor? Por que isso ocorre?

23 E as outras cores (cores não básicas)?

24 Roupas escuras esquentam mais que as claras?

25 Princípios da Ótica Geométrica Princípio da propagação retilínea : Nos meios homogêneos e transparentes a luz se propaga em linha reta. Em meios heterogêneos a luz não se propaga necessariamente em linha reta. Como exemplo temos a atmosfera terrestre em que a densidade diminui com o aumento altitude. Princípio da independência dos raios de luz : Se dois raios luminosos se cruzam, cada um segue sua trajetória independentemente do outro. Ex: vemos vários objetos ao mesmo tempo. Princípio da reversibilidade de raios luminosos : A trajetória seguida pelo raio luminoso independe do sentido do percurso. Ex: O motorista vê o rosto do passageiro pelo retrovisor, isso implica que o passageiro também vê o rosto do motorista.

26 Altura Aparente dos Astros A densidade do ar diminui com a altura

27 Propagação retilínea da luz e as sombras(umbras) e penumbras

28 Eclipse Lunar

29 Eclipse Solar

30 Relação entre sombras de objetos Fonte:

31 Reflexão A reflexão da luz é um fenômeno caracterizado pela mudança de direção do feixe de luz ao encontrar uma superfície de separação de dois meios diferentes, sem que o feixe mude de meio.

32 Leis da Reflexão O raio de incidência a reta normal e o raio refletido estão emitidos no mesmo plano O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.

33 Refração Platão em A Republica... E os mesmo objetos parecem tortos ou inteiros consoante os olhamos na água ou fora dela... Aristóteles - Menciona o quebrar aparente de objetos, parcialmente emerso na água. Cleomedes (50 d.c.) Estudou a refração da luz na interface ar-água. Afirmava que devido a refração, podemos ver o Sol, após estar abaixo do horizonte

34 Refração A refração acontece quando a luz passa de um meio para outro. Como, por exemplo, quando os raios de luz provenientes do sol entram na atmosfera terrestre. c n v O raio de luz encontra uma maior dificuldade de se propagar no vidro, esta dificuldade faz com que a velocidade da luz diminua e muda a direção do raio de luz. A dificuldade que a luz sofre ao percorrer um meio é indicada pelo índice de refração do meio (n)

35 Refração Snell ( )- Descartes ( ) Snell demonstrou, através de experimentação, que os senos dos ângulos mantinham uma relação constante. Descartes, a partir de seus trabalhos teóricos foi o primeiro a publicar a lei dos senos. sen i/sen r = v1/v2 1/v1. sen i = 1/v2. sen r c/v1. sen i = c/v2. sen r Logo, n1.sen i = n2.sen r

36 Leis da Refração Primeira Lei: O raio incidente, a normal e o raio refratado são coplanares; Segunda Lei: Lei de Snell-Descartes sen iˆ Vi sen rˆ Vr A velocidade da onda luminosa depende da densidade do meio. Quanto maior a densidade de um meio, menor a velocidade de propagação da onda nesse meio nvácuo nar ,

37 Aplicações da Reflexão Reflexão total e as fibras óticas Um raio luminoso propagando-se em um meio 2 e incidindo na superfície de separação deste meio com um meio 1, tal que n2 > n1, sofrerá reflexão total se o ângulo de incidência for maior que o ângulo limite L, onde: sen L = n2/n1 L é obtido através da Lei de Snell, considerando que na situação limite o ângulo de refração é 90 graus.

38 Aplicações da Reflexão Fibras óticas Uma aplicação importante da reflexão total são as fibras ópticas. Essas fibras são feitas de vidro ou plástico possuem paredes extremamente lisas. Ao penetrar na fibra, a luz sofre reflexão nas paredes laterais diversas vezes, e com isso ela é transportada a longas distâncias. Por esse motivo, a fibra óptica é um condutor de luz. Essa tecnologia é amplamente utilizada na medicina e nas telecomunicações.

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41 Aplicações da Refração Miragem I<L I<L I>L Reflexão total Ar frio Ar quente Ar mais quente Ar muito quente Asfalto

42 Aplicações da Refração Altura Aparente dos Astros Imagem A densidade do ar diminui com a altura Objeto

43 Dispersão da Luz A luz solar é composta por fótons dos mais variados comprimentos de onda. O índice de refração de um determinado meio depende do comprimento de onda da luz. A luz violeta maior índice de refração (aproxima-se mais da normal) A luz vermelha menor índice de refração (aproxima-se menos da normal) cada luz monocromática (violeta, anil, azul, verde, amarela, alaranjada e vermelha) que compõe a luz solar tomará direções diferentes dentro do outro meio.

44 O arco-íris Depois da chuva, minúsculas gotículas de água ficam suspensas no ar. Ao incidir nessas gotículas, a luz branca, proveniente do Sol, sofre os fenômenos da refração e da dispersão.

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46 As cores do Céu Acontece que as moléculas do ar, quando atingidas pela luz solar, espalham com grande intensidade as cores azul e violeta, no entanto, o olho humano é pouco sensível a cor violeta

47 Quando chega a tarde, a Terra está mais inclinada e, dessa forma, os raios solares percorrem uma distância muito maior na atmosfera. Assim sendo, a luz azul e violeta, as quais são espalhadas com maior intensidade, não são percebidas pelos olhos do observador, mas as luzes vermelho e alaranjado sim, fazendo com que percebamos o céu na tonalidade vermelho alaranjado.

48 O Olho Humano

49 Fim! Obrigado!