ÓPTICA GEOMÉTRICA Setor 1210 FUNDAMENTOS DA ÓPTICA GEOMÉTRICA - Aulas 01 Prof. Calil A Óptica estuda a energia denominada luz. 1- O estudo dos defeitos da visão e como curá-los, constitui a Óptica Fisiológica. Estudar a natureza da energia luz é estudar a Óptica Física. 2- Nós vamos estudar como construir graficamente as imagens que são formadas nos sistemas ópticos (espelhos, prismas, lentes, etc). É o estudo da Óptica Geométrica. 3- Observações importantes: a) Não enxergamos a luz pois ela é uma forma de energia. Enxergamos os objetos que recebem e difundem a luz. b) No nosso corpo, temos sensores que recebem a energia luminosa. São os olhos. A luz sempre vai do objeto para os olhos, e nunca ao contrário. c) Só enxergamos aquilo que envia luz diretamente para os nossos olhos. 4- Para representar a luz que vai do objeto para nossa vista ou a luz que chega a um sistema, utilizamos retas orientadas, que nos possibilitam construir figuras mostrando como serão as imagens fornecidas por um espelho, lente, etc. Estas retas são: Raio de luz: Pincel cônico Divergente Convergente Pincel Cilíndrico 5- Sistema Óptico é o corpo no qual a luz que incide (chega), vai sofrer uma modificação, ou de direção ou de velocidade. São exemplos de Sistemas Ópticos os espelhos planos e esféricos, as lâminas de faces paralelas, as lentes, os prismas, etc. 6- O corpo que emite a luz é denominado de Fonte de luz e pode ser: a) Fonte Primária: o corpo produz a luz que emite. Para nós que estamos na Terra o Sol e as estrelas são fontes primárias. b) Fonte Secundária: o corpo não produz a luz, apenas retransmite a luz que recebe. Para nós na Terra, a Lua é uma fonte secundária. Existe outra classificação para as fontes, que é: a) Fonte puntiforme: O tamanho do corpo que emite a luz é muito pequeno quando comparado às demais dimensões do fenômeno, como é o caso de uma estrela observada por nós aqui na Terra. b) Fonte extensa: seu tamanho tem influência na execução do desenho da imagem, ou no estudo das suas propriedades luminosas. Para nós, na Terra, o Sol é uma fonte extensa.
1- Fonte Primária 2- Fonte Secundária 3- Fonte Puntiforme 4- Fonte Extensa 1: O Sol, para nós que estamos na Terra, é uma fonte de luz primária e extensa. 2: A Lua, para nós que estamos na Terra, é uma fonte de luz secundária e extensa. 3: As estrelas, para nós que estamos na Terra, são fontes de luz primária e puntiformes. 4: A lâmpada está apagada, e, para o menino, é uma fonte de luz secundária e extensa. A classificação da fonte de luz depende de quem a observa. Assim por exemplo, se a lâmpada da figura 4 estivesse muito afastada do menino, ela passaria a ser uma fonte puntiforme. Caso ela fosse acessa, passaria a ser uma fonte de luz primária. Portanto, a classificação de uma fonte de luz depende de como a fonte está operando, e a que distância se encontra do observador. 7- Os corpos que recebem a luz podem ser classificados em: Transparentes: quando não absorvem a luz que os atravessa. Translúcidos: absorvem parte da energia da luz que os atravessa. Opacos: absorvem toda a energia da luz que neles incide. Vidro Transparente Vidro Translúcido Vidro Opaco A classificação dada depende da espessura do corpo. Assim, o vidro fino é transparente. Mais grosso passa a ser translúcido e muito espesso fica opaco. O mesmo acontece com a água de uma piscina. Se a piscina tem pouca água, enxergamos o seu fundo. Se a quantidade de água é maior, enxergamos com dificuldade o fundo. Mas se a quantidade de água é muito grande, não conseguimos mais enxergar o fundo da piscina. Isso mostra que a água em pequena quantidade é transparente, em maior quantidade é translúcida e em grande quantidade torna-se opaca.
8- A Óptica Geométrica se alicerça em três princípios básicos: - Propagação Retilínea: A luz, em meios transparentes e homogêneos, sempre se propaga em linha reta. Utilizamos para a representação da luz, retas denominadas raios de luz (item 05). Se o meio não é homogêneo, como a atmosfera que envolve a Terra, a trajetória da luz é curvilínea. Nós só estudamos meios transparentes e homogêneos. Este princípio garante a existência da sombra, quando a fonte é puntiforme, e da penumbra quando a fonte é extensa. A propagação retilínea da luz está associada às eclipses do sol e da lua, conforme esquema baixo: ECLIPSE SOLAR ECLIPSE LUNAR O funcionamento de uma câmara escura de orifício, também tem por base a propagação retilínea da luz: A caixa tem um orifício que está voltado para o objeto, por exemplo, uma árvore. A luz do Sol difundida pela árvore é enviada para a caixa e após atravessar o orifício, determina no fundo dela, que normalmente é feito com papel vegetal translucido, uma imagem invertida. Seja AB = o tamanho da árvore, A B =i, o tamanho da sua imagem, p a distância da árvore até o orifício e p a profundidade da caixa = distância da imagem até o orifício. No esquema, existem dois triângulos que são semelhantes. Daí: i/o = p /p Conhecendo-se o, p, p, obtém-se o tamanho i da imagem. Usando a lógica: Se a distância do objeto (p) for X vezes maior que o comprimento da câmara (p ), a imagem formada será X vezes menor que o tamanho do objeto -Independência dos raios luminosos: Dois raios de luz se cruzam e cada um segue seu caminho como se nada tivesse acontecido. Por esse princípio é possível construir imagens cruzando os raios de luz que saem de um sistema óptico. -Reversibilidade: Se a luz segue um caminho quando vai de um ponto A para outro B, quando voltar de B para A, mantendo-se as mesmas condições, seguirá o mesmo caminho. Este princípio é aplicado nos espelhos retrovisores. Do rosto da moça saem raios de luz que incidem no espelho e vão para a vista do motorista. Do rosto do motorista saem raios de luz que incidem no espelho e vão para a vista da moça.
FENÔMENOS ESTUDADOS NA ÓPTICA GEOMÉTRICA 1- REFLEXÃO ORDENADA: Ocorre nas superfícies polidas denominadas espelhos. A luz que vem se propagando de forma ordenada, ao incidir no espelho. volta para o mesmo meio, mantendo a sua ordenação inicial. Espelho 2- DIFUSÃO OU REFLEXÃO DESORDENADA: Ocorre em superfícies irregulares. A luz que incide na superfície e que mantém uma ordenação nesta incidência, reflete em todas as direções. Este fenômeno faz com que várias pessoas vejam simultaneamente um mesmo objeto, como no cinema, em que todos os espectadores assistem ao filme projetado na tela. A tela tem que ser rugosa, para que ocorra o fenômeno da difusão. 3- REFRAÇÃO: Um pincel de luz que incide numa superfície, não retorna para o mesmo meio mas passa a se propagar num outro meio diferente daquele no qual ela veio, mudando a sua velocidade e a sua direção da sua propagação. Ocorre nas lentes, prismas e lâminas. meio A fronteira meio B
4- DISPERSÃO: É quando a luz do Sol atravessa uma superfície, e se decompõe em sete cores, cada uma denominada radiação monocromática. São elas: Vermelho, Amarelo, Alaranjado, Verde, Azul, Anil e Violeta. A luz do Sol é denominada de luz policromática. A radiação mais rápida, e que por isso quase não sofre desvio, é a vermelha, e a mais lenta é a violeta. Quando nos expomos ao Sol, sua luz se decompõe nestas radiações, penetrando na pele. Sendo a vermelha mais rápida ela penetra mais profundamente, causando a queimadura. A violeta sendo lenta é absorvida logo na superfície da pele, causando danos as células, podendo ocasionar o câncer de pele. O arco-íris é o exemplo típico da dispersão. 5- ABSORÇÃO: quando a luz que incide numa superfície não volta para o mesmo meio (reflexão e difusão) e nem passa para outro meio (refração e dispersão ), ela não desaparece pois é energia. A luz se transforma em calor, sendo absorvida pela superfície que normalmente é escura ou preta. Isto acontece em dias muito quentes, quando a luz do Sol que incide no asfalto é absorvida e transformando-se em calor, derrete o asfalto, deixando-o amolecido. asfalto calor AS CORES DOS CORPOS Quando queremos pintar uma parede com uma cor fora dos padrões normais, por exemplo, um verde claro, adicionamos à tinta branca, uma bisnaga de tinta verde, até chegar ao tom desejado. Portanto criar uma cor é misturar cores. Porém quando enxergamos a cor da parede, está acontecendo uma subtração de cores. Se para nós a parede é verde, ela absorveu seis cores (radiações monocromáticas), a saber: vermelho, alaranjado, amarelo, azul, anil e violeta, só difundindo de volta a cor (radiação) verde. Enxergar a cor de um corpo é o resultado de um processo de absorção. O corpo cuja cor é a branca, não absorve nenhuma radiação, difundindo as sete cores misturadas. O corpo de cor preta absorve todas as radiações (cores), e, portanto não envia luz aos nossos olhos. Assim, não enxergamos um corpo preto, mas o que está a sua volta. Como está descrito no item 4, a luz do Sol é composta pela mistura de sete cores, cada denominada radiação monocromática. Se uma rosa tem cor vermelha é porque quando iluminada pela luz solar, absorve seis radiações (cores), que são o amarelo, alaranjado, verde, azul, anil e violeta, só difundindo o vermelho. Se essa rosa for iluminada por uma radiação monocromática azul, ela será vista por nós com a cor preta, pois absorvendo o azul, não devolverá essa radiação para a nossa vista.
Na figura não existem corpos com cor azul Incidindo luz monocromática azul? vemos a flor e as folhas pretas ALGUMAS INFORMAÇÕES ÚTEIS: a) A velocidade da luz no vácuo é a maior valor da velocidade que pode ser concebida. Nenhum corpo ou forma de energia se desloca com uma velocidade superior a da luz no vácuo. Seu valor é representado pela letra c e vale: c = 3.10 8 m/s = 300.000 km/s. b) 1 ano-luz é uma medida astronômica de distância, e corresponde a distância que a luz percorre viajando, no vácuo, durante um ano. Se luz percorre 300.000km = 3.10 5 km em cada 1 s, e considerando-se que 1 ano tem 365 dias x 24horas x 3.600s = 31.536.000 s, que podemos aproximar para 3,15.10 7 s, realizando uma regra de três obtemos: 1 s 3.10 5 km Então 1 ano-luz corresponde a aproximadamente 9,5.10 12 km ou 9,5.10 15 m. 3,15.10 7 s 9,46.10 12 km 1 ano-luz também pode ser tomado como medida de tempo. Quando dizemos que a luz de uma estrela está a 5 anos-luz da terra, entendemos que a luz por ela emitida leva 5 anos até chegar a nós. Então, o que estamos vendo agora nesta estrela, já aconteceu cinco anos atrás. c) Se um corpo luminoso está muito afastado da Terra (por exemplo, o Sol), a luz que ele emite chega até nós em raios que podem ser considerados paralelos, formando um pincel de luz cilíndrico, como mostra a figura.