Tópicos da História da Física Clássica

Transcrição

1 Tópicos da História da Física Clássica Óptica Victor O. Rivelles Instituto de Física da Universidade de São Paulo Edifício Principal, Ala Central, sala

2 Descartes Le Monde, (ou Tratado sobre a Luz) de R.Descartes, Trata da filosofia, física e biologia. Influenciou Newton e outros.

3 Descartes Le Monde, (ou Tratado sobre a Luz) de R.Descartes, Trata da filosofia, física e biologia. Influenciou Newton e outros. O universo é composto de pequenos corpúsculos de matéria (atomismo). Não existe vácuo: a matéria está em movimento constante de forma a evitar a formação do vácuo. Vórtices de matéria explicariam a criação do sistema solar e o movimento orbital dos planetas.

4 Descartes Le Monde, (ou Tratado sobre a Luz) de R.Descartes, Trata da filosofia, física e biologia. Influenciou Newton e outros. O universo é composto de pequenos corpúsculos de matéria (atomismo). Não existe vácuo: a matéria está em movimento constante de forma a evitar a formação do vácuo. Vórtices de matéria explicariam a criação do sistema solar e o movimento orbital dos planetas. A propagação da luz é similar à transmissão de um impulso mecânico através de uma bengala que um cego usa ao bater em vários objetos.

5 Descartes Le Monde, (ou Tratado sobre a Luz) de R.Descartes, Trata da filosofia, física e biologia. Influenciou Newton e outros. O universo é composto de pequenos corpúsculos de matéria (atomismo). Não existe vácuo: a matéria está em movimento constante de forma a evitar a formação do vácuo. Vórtices de matéria explicariam a criação do sistema solar e o movimento orbital dos planetas. A propagação da luz é similar à transmissão de um impulso mecânico através de uma bengala que um cego usa ao bater em vários objetos. A luz é associada com o movimento num meio, uma perturbação que propaga-se por meios mecânicos.

6 Descartes Le Monde, (ou Tratado sobre a Luz) de R.Descartes, Trata da filosofia, física e biologia. Influenciou Newton e outros. O universo é composto de pequenos corpúsculos de matéria (atomismo). Não existe vácuo: a matéria está em movimento constante de forma a evitar a formação do vácuo. Vórtices de matéria explicariam a criação do sistema solar e o movimento orbital dos planetas. A propagação da luz é similar à transmissão de um impulso mecânico através de uma bengala que um cego usa ao bater em vários objetos. A luz é associada com o movimento num meio, uma perturbação que propaga-se por meios mecânicos. Reflexão da luz: a luz comporta-se de forma semelhante a uma bola ao atingir uma parede.

7 Descartes Refração da luz: a luz comporta-se de forma semelhante a uma bola que rasga um pedaço de tecido roto. A componente da velocidade perpendicular ao tecido é diminuída e a componente paralela permanece inalterada. O raio de luz seria desviado na direção oposta à normal!!!

8 Descartes Refração da luz: a luz comporta-se de forma semelhante a uma bola que rasga um pedaço de tecido roto. A componente da velocidade perpendicular ao tecido é diminuída e a componente paralela permanece inalterada. O raio de luz seria desviado na direção oposta à normal!!! Descartes então afirma que quando a bola atinge o tecido sua velocidade perpendicular ao tecido aumenta!!! O raio de luz é desviado na direção da normal.

9 Descartes Refração da luz: a luz comporta-se de forma semelhante a uma bola que rasga um pedaço de tecido roto. A componente da velocidade perpendicular ao tecido é diminuída e a componente paralela permanece inalterada. O raio de luz seria desviado na direção oposta à normal!!! Descartes então afirma que quando a bola atinge o tecido sua velocidade perpendicular ao tecido aumenta!!! O raio de luz é desviado na direção da normal. Isso implica que a luz viaja mais rápido na água do que no ar! O teste experimental teve que esperar 200 anos!

10 Descartes Refração da luz: a luz comporta-se de forma semelhante a uma bola que rasga um pedaço de tecido roto. A componente da velocidade perpendicular ao tecido é diminuída e a componente paralela permanece inalterada. O raio de luz seria desviado na direção oposta à normal!!! Descartes então afirma que quando a bola atinge o tecido sua velocidade perpendicular ao tecido aumenta!!! O raio de luz é desviado na direção da normal. Isso implica que a luz viaja mais rápido na água do que no ar! O teste experimental teve que esperar 200 anos! Sucesso: explica a lei de Snell.

11 Descartes Refração da luz: a luz comporta-se de forma semelhante a uma bola que rasga um pedaço de tecido roto. A componente da velocidade perpendicular ao tecido é diminuída e a componente paralela permanece inalterada. O raio de luz seria desviado na direção oposta à normal!!! Descartes então afirma que quando a bola atinge o tecido sua velocidade perpendicular ao tecido aumenta!!! O raio de luz é desviado na direção da normal. Isso implica que a luz viaja mais rápido na água do que no ar! O teste experimental teve que esperar 200 anos! Sucesso: explica a lei de Snell. Problema: Descartes acreditava que a luz propaga-se instantâneamente: Ela chega aos nossos olhos vindo de um objeto num instante... para mim isto é tão certo que se estivesse errado eu estaria pronto a confessar que não sei absolutamente nada de filosofia.

12 Newton Opticks, de I. Newton, Diferentemente do Principia, este livro contém uma coleção de experimentos e várias deduções à partir dos mesmos. Não trata da óptica geométrica mas da natureza da luz, da cor e do fenômeno da difração.

13 Newton Opticks, de I. Newton, Diferentemente do Principia, este livro contém uma coleção de experimentos e várias deduções à partir dos mesmos. Não trata da óptica geométrica mas da natureza da luz, da cor e do fenômeno da difração. Newton usou a proposta de Descartes e assumiu que a luz era composta de partículas.

14 Newton Opticks, de I. Newton, Diferentemente do Principia, este livro contém uma coleção de experimentos e várias deduções à partir dos mesmos. Não trata da óptica geométrica mas da natureza da luz, da cor e do fenômeno da difração. Newton usou a proposta de Descartes e assumiu que a luz era composta de partículas. Usou o fato de que sombras bem delineadas podem ser formadas por obstáculos sólidos no caminho da luz. Se a luz fosse composta de pulsos num meio ela deveria se comportar como ondas de som.

15 Huygens Polarização: Newton achava que as partículas de luz tinham lados e eram retangulares.

16 Huygens Polarização: Newton achava que as partículas de luz tinham lados e eram retangulares. Treatise on Light, de C. Huygens, Apresentou a teoria da luz como impulsos num meio.

17 Huygens Polarização: Newton achava que as partículas de luz tinham lados e eram retangulares. Treatise on Light, de C. Huygens, Apresentou a teoria da luz como impulsos num meio. Não é a teoria ondulatória usual pois movimentos periódicos ainda não haviam sido estudados adequadamente. Explica reflexão, refração e interferência além da polarização.

18 Huygens Polarização: Newton achava que as partículas de luz tinham lados e eram retangulares. Treatise on Light, de C. Huygens, Apresentou a teoria da luz como impulsos num meio. Não é a teoria ondulatória usual pois movimentos periódicos ainda não haviam sido estudados adequadamente. Explica reflexão, refração e interferência além da polarização. Por outro lado, Newton sugeriu que a luz poderia ter propriedades periódicas a fim de explicar a refração.

19 Velocidade da Luz Thomas Hobbes em 1644 e Huygens em 1690 propuseram a teoria de que a luz consiste de pulsos que se propagam e que a velocidade de propagação é menor em meios mais densos.

20 Velocidade da Luz Thomas Hobbes em 1644 e Huygens em 1690 propuseram a teoria de que a luz consiste de pulsos que se propagam e que a velocidade de propagação é menor em meios mais densos. Para decidir entre ambas era necessário medir a velocidade da luz no ar e na água.

21 Velocidade da Luz Thomas Hobbes em 1644 e Huygens em 1690 propuseram a teoria de que a luz consiste de pulsos que se propagam e que a velocidade de propagação é menor em meios mais densos. Para decidir entre ambas era necessário medir a velocidade da luz no ar e na água. Em 1638 Galileu tentou medir a velocidade da luz mas não obteve resultados conclusivos: Quando vemos a artilharia atirando a uma distância muito grande o lampejo atinge nossos olhos num lapso de tempo muito curto; mas o som atinge nossos ouvidos somente após um intervalo de tempo razoável.

22 Velocidade da Luz Thomas Hobbes em 1644 e Huygens em 1690 propuseram a teoria de que a luz consiste de pulsos que se propagam e que a velocidade de propagação é menor em meios mais densos. Para decidir entre ambas era necessário medir a velocidade da luz no ar e na água. Em 1638 Galileu tentou medir a velocidade da luz mas não obteve resultados conclusivos: Quando vemos a artilharia atirando a uma distância muito grande o lampejo atinge nossos olhos num lapso de tempo muito curto; mas o som atinge nossos ouvidos somente após um intervalo de tempo razoável. Em 1676 Ole Rømer previu um atraso de 22 minutos no eclipse de Io, um dos satélites de Júpiter, quando a Terra está em pontos opostos de sua órbita.

23 Velocidade da Luz Thomas Hobbes em 1644 e Huygens em 1690 propuseram a teoria de que a luz consiste de pulsos que se propagam e que a velocidade de propagação é menor em meios mais densos. Para decidir entre ambas era necessário medir a velocidade da luz no ar e na água. Em 1638 Galileu tentou medir a velocidade da luz mas não obteve resultados conclusivos: Quando vemos a artilharia atirando a uma distância muito grande o lampejo atinge nossos olhos num lapso de tempo muito curto; mas o som atinge nossos ouvidos somente após um intervalo de tempo razoável. Em 1676 Ole Rømer previu um atraso de 22 minutos no eclipse de Io, um dos satélites de Júpiter, quando a Terra está em pontos opostos de sua órbita. Juntamento com Huygens, calcularam a velocidade da luz: cerca de m/s.

24 Velocidade da Luz Isso confirmou que a luz não se propaga instantâneamente mas leva um tempo finito.

25 Velocidade da Luz Isso confirmou que a luz não se propaga instantâneamente mas leva um tempo finito. Em 1862 L. Foucault determinou a velocidade da luz em m/s.

26 Velocidade da Luz Isso confirmou que a luz não se propaga instantâneamente mas leva um tempo finito. Em 1862 L. Foucault determinou a velocidade da luz em m/s. 1 Em 1856 W. E. Weber mediu µ0 ɛ 0 e encontrou um valor numérico próximo da velocidade da luz. Só em meados do século 19 é que se pode medir a velocidade da luz no ar e na água!

27 Teoria Ondulatória da Luz Até o início do século 19 a teoria de Newton era a preferida.

28 Teoria Ondulatória da Luz Até o início do século 19 a teoria de Newton era a preferida. Thomas Young e Augustin Fresnel colocaram a teoria ondulatória da luz numa base extremamente firme entre 1800 e 1820.

29 Teoria Ondulatória da Luz Até o início do século 19 a teoria de Newton era a preferida. Thomas Young e Augustin Fresnel colocaram a teoria ondulatória da luz numa base extremamente firme entre 1800 e Utilizaram a superposição de ondas: interferência.

30 Teoria Ondulatória da Luz Até o início do século 19 a teoria de Newton era a preferida. Thomas Young e Augustin Fresnel colocaram a teoria ondulatória da luz numa base extremamente firme entre 1800 e Utilizaram a superposição de ondas: interferência. Experiência da fenda dupla de Young.

31 Teoria Ondulatória da Luz Até o início do século 19 a teoria de Newton era a preferida. Thomas Young e Augustin Fresnel colocaram a teoria ondulatória da luz numa base extremamente firme entre 1800 e Utilizaram a superposição de ondas: interferência. Experiência da fenda dupla de Young.

32 Teoria Ondulatória da Luz Até o início do século 19 a teoria de Newton era a preferida. Thomas Young e Augustin Fresnel colocaram a teoria ondulatória da luz numa base extremamente firme entre 1800 e Utilizaram a superposição de ondas: interferência. Experiência da fenda dupla de Young. Usando as equações de Fresnel para a difração, Poisson demonstrou que se houvesse um pequeno disco redondo colocado no caminho do raio de luz, uma marca brilhante deveria aparecer no centro da sombra!!!

33 Teoria Ondulatória da Luz A mancha brilhante de Poisson.

34 Teoria Ondulatória da Luz A mancha brilhante de Poisson. Em 1850 Fizeau e Foucault demonstraram que a velocidade da luz na água é menor do que no ar: v = c/n, onde n é o índice de refração.

35 Teoria Ondulatória da Luz A mancha brilhante de Poisson. Em 1850 Fizeau e Foucault demonstraram que a velocidade da luz na água é menor do que no ar: v = c/n, onde n é o índice de refração. Em 1862 Maxwell mostra que a velocidade de propagação de 1 uma onda eletromagnética é µ0 ɛ 0 e conclui: É muito difícil evitar a conclusão de que a luz consiste de ondas transversais do mesmo meio que é a causa dos efeitos elétricos e magnéticos. A luz é uma onda transversal de campos elétricos e magnéticos!

36 Teoria Ondulatória da Luz A mancha brilhante de Poisson. Em 1850 Fizeau e Foucault demonstraram que a velocidade da luz na água é menor do que no ar: v = c/n, onde n é o índice de refração. Em 1862 Maxwell mostra que a velocidade de propagação de 1 uma onda eletromagnética é µ0 ɛ 0 e conclui: É muito difícil evitar a conclusão de que a luz consiste de ondas transversais do mesmo meio que é a causa dos efeitos elétricos e magnéticos. A luz é uma onda transversal de campos elétricos e magnéticos! Em 1864 em A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field: A luz é uma perturbação eletromagnética propagada através do campo de acordo com as leis eletromagnéticas.

37 Teoria Ondulatória da Luz

38 Teoria Ondulatória da Luz Polarização : explicada por ondas transversais.

39 Teoria Ondulatória da Luz Polarização : explicada por ondas transversais. Problema: deve existir um meio sólido para transportar a onda transversal: o éter luminífero.

40 Teoria Ondulatória da Luz Polarização : explicada por ondas transversais. Problema: deve existir um meio sólido para transportar a onda transversal: o éter luminífero. O éter deve ocupar todo o espaço e os corpos.

41 Teoria Ondulatória da Luz Polarização : explicada por ondas transversais. Problema: deve existir um meio sólido para transportar a onda transversal: o éter luminífero. O éter deve ocupar todo o espaço e os corpos. Como a velocidade da onda no sólido é T /ρ, T é a tensão do sólido e ρ sua densidade, isso significa que o éter possui uma tensão muito grande e é pouco denso!

42 Teoria Ondulatória da Luz Polarização : explicada por ondas transversais. Problema: deve existir um meio sólido para transportar a onda transversal: o éter luminífero. O éter deve ocupar todo o espaço e os corpos. Como a velocidade da onda no sólido é T /ρ, T é a tensão do sólido e ρ sua densidade, isso significa que o éter possui uma tensão muito grande e é pouco denso! Solução: relatividade restrita de Einstein em 1905.