Ótica

O que é a luz? Os antigos gregos descobriram que a luz se propaga em linha reta. Heron de Alexandria descobriu em experiências feitas com espelhos, que um feixe de luz reflectida volta ao meio com o mesmo ângulo de incidência. Ptolomeu elaborou uma lista de ângulos de incidência e de refração

O que é a luz? Entre os antigos gregos, a escola pitagórica acreditava que todo objecto visual emitia partículas. Aristóteles (384-322 AC) concluiu que a luz era um fenómeno ondulatório.

Teoria Corpuscular Princípios: Corpos luminosos emitem energia radiante em partículas; Estas partículas são lançadas intermitentemente em linha reta; Newton (1642-1727) As partículas atingem a retina e estimulam uma resposta que produz uma sensação visual.

A luz Newton elaborou uma teoria para a luz, cujo ponto básico é a sua constituição por corpúsculos de luz. Newton afirma: Por raios de luz entendo as partes mínimas da luz e as que tanto são sucessivas nas mesmas linhas como simultâneas em várias linhas. No seu livro Optiks" Newton afirma que "é evidente que a luz consiste em partes" e utiliza de termos como "corpos minúsculos" e "partículas de luz".

A luz corpuscular - Luz corpuscular é quase sinónimo de luz material e esbarra na aceitação ou não da ideia de que os corpos materiais macroscópicos e a luz seriam convertíveis entre si através de emissão e absorção de luz pelos mesmos. - Numa primeira aproximação poderíamos pensar num corpúsculo esférico a propagar-se pelo espaço numa direcção definida.

A luz corpuscular - seriam necessários tantos corpúsculos diferentes quantas são as cores do espectro. Tal poderia ser contornada se pensarmos na cor como sendo uma propriedade do raio elementar de luz e não do corpúsculo de luz por si só. - um raio de luz elementar seria constituído por no mínimo dois corpúsculos viajando acoplados, um à frente do outro, e a distância entre os corpúsculos caracterizaria a cor do espectro a ser captada por um equipamento conveniente.

O fim da luz corpuscular Muitos físicos, opuseram-se à teoria de Newton, nomeadamente Robert Hooke e Christiaan Huyghens. A ideia dominante era a de que a luz era a pressão ou o movimento de alguma perturbação que atravessa um determinado meio.

Teoria ondulatória Princípios: Cristiaan Huygens (1629-1695) A luz era resultante da vibração molecular de materiais luminosos; Esta vibração era transmitida através de uma substância invisível e sem peso que existia no ar e no espaço, denominada éter luminífero ; As vibrações transmitidas atuam na retina, simulando uma resposta que produz uma sensação visual.

Teoria Eletromagnética Princípios: James Clerk Maxwell (1831-1879) Os corpos luminosos emitem luz na forma de energia radiante; A energia radiante propaga-se na forma de ondas eletromagnéticas; As ondas eletromagnéticas atingem a retina, estimulando uma resposta que produz uma sensação visual.

Teoria Quântica Max Planck (1858-1947) A energia na radiação não é contínua, mas dividida em minúsculos pacotes, ou quanta. Princípio: energia é emitida e absorvida em quantum, o fotão.

O que é a luz? Em 1621, Snell explicou o fenómeno observado quando se coloca um bastão recto dentro da água. Dependendo da inclinação, a parte submersa aparenta ter outra direcção, excepto se o bastão é colocado perpendicularmente à superfície. Snell demonstrou que quando a luz atravessa o ar e encontra uma superfície de água, parte da luz é reflectida na superfície da água como previsto por Heron e outra parte da luz entra no outro meio, mudando de direcção, mas continua a sua trajectória em linha recta. Christian Huygens sugeriu que os índices de refracção estão relacionados com a velocidade da luz ao atravessar esses materiais.

A luz ondulatória de Huyghens - A ideia de luz ondulatória tem a ver com a noção intuitiva de onda mecânica e, em especial, com a propagação de vibrações em meios fluidos como o ar ou a água. - Christian Huyghens (1629-1695), ao conceber a luz ondulatória, assumiu a existência de um éter a permear o universo. - A noção de matéria constituída por partículas elementares a instalarem-se no vazio, somente começou a ser considerada a partir dos trabalhos de Clausius (1857), Maxwell (1875) e Boltzmann (1860), a fornecerem as bases para as teorias atómicas da física atual.

A luz ondulatória de Huyghens Até a segunda metade do século XIX, os meios assumidos como sede dos fenómenos ondulatórios, eram assumidos como fluidos contínuos.

A luz ondulatória Representação de uma onda electromagnética plana, linearmente polarizada

Teoria ondulatória da luz No século XIX, 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, contradizendo a teoria corpuscular que considerava que a velocidade da luz na água deveria ser maior que no ar. Na segunda metade do século XIX, Maxwell através da sua teoria de ondas electromagnéticas, provou que a velocidade com que a onda electromagnética se propagava no espaço, era igual à velocidade da luz, cujo valor é, aproximadamente: C 3 x 10 8 m/s 300 000 km/s

Teoria ondulatória da luz James Clerk Maxwell (1831-1879) Heinrich Hertz (1857-1894) Maxwell estabeleceu teoricamente que: A luz é uma modalidade de energia radiante que se propaga através de ondas electromagnéticas. Hertz, 15 anos após a descoberta de Maxwell, comprovou experimentalmente a teoria ondulatória, usando um circuito oscilante. Características de uma onda: comprimento de onda ( ) e frequência (f). A velocidade da onda é dada pelo produto do comprimento de onda ( ) pela frequência, f, ou seja, este produto é constante para cada meio: c = f

O fim da luz ondulatória - Os choques entre partículas elementares, átomos e moléculas, dão-se à distância. - Mesmo nos fenómenos ondulatórios exigem que alguma partícula medeie o processo entre um corpúsculo para outro a uma dada distância. -A onda mecânica clássica (por exemplo, a onda sonora ou a onda aquática) existe se, mas somente se, as partículas que vibram emitirem alguma coisa capaz de sensibilizar as partículas vizinhas, bem como sofrerem uma retroacção acoplado a uma emissão de uma entidade pertencente ao seu microcosmo.

- a teoria ondulatória da luz interpretava, com êxito, todos os fenómenos luminosos conhecidos até então (reflexão, refração, difração) mas mostrou-se incapaz de interpretar o efeito fotoelétrico que é consequência da ação das radiações luminosas sobre a matéria. - de acordo com a teoria ondulatória, a emissão fotoelétrica deveria ocorrer para luz incidente de qualquer frequência, desde que o feixe luminoso fosse suficientemente intenso. - tornava-se, portanto, inexplicável a existência de um valor limite para a frequência da radiação incidente. - Por outro lado, se o feixe de luz incidente fosse muito pouco intenso, a energia que então caberia a cada um dos eletrões seria muito inferior à energia necessária para a extração de um eletrão da superfície de um metal. - Também não se poderia admitir que se tratasse de uma acumulação, no tempo, de energia incidente, pois a emissão fotoelétrica é instantânea. O facto de a energia cinética máxima dos fotoeletrões ser independente da intensidade do feixe de luz monocromática incidente

Evolução do conceito de fotão A partir dos trabalhos de Young e Fresnel, a teoria de Newton caiu no esquecimento. Foi de outra forma retomada depois do trabalho pioneiro de Einstein, sobre o efeito fotoelétrico. Podemos arrancar eletrões de uma placa metálica se fizermos incidir luz sobre ela. Essa é a origem do nome "fotoelétrico". Sabemos que, para arrancar um electrão, devemos fornecer uma certa quantidade de energia, uma vez que os eletrões estão presos à placa.

Evolução do conceito de fotão Constatou-se que só radiação com uma frequência acima de um certo valor podia arrancar electrões e que não havia intervalo de tempo entre os fenómenos. Einstein, em 1905, interpretou, que o efeito fotoeléctrico com essas características só poderia ser explicado se a luz fosse composta por partículas (quanta de luz), denominadas de fotões. A experimentação provou que Einstein estava certo. Desde então as evidências têm-se acumulado em favor da teoria corpuscular da luz, que é a teoria vigente. Como todas as partículas, os fotões exibem uma natureza dualística: onda e partícula.

FONTES PRIMÁRIA

Fontes Secundárias

Raio luminoso e feixe de raios luminosos A luz é composta por um feixe de partículas, os fotões. O raio luminoso corresponde ao caminho percorrido pelos fotões. Um conjunto de raios luminosos forma um feixe de raios luminosos.

Quanto à disposição dos raios luminosos Feixes: -Convergentes -Divergentes -Paralelos

Propagação da luz A luz ao incidir sobre um determinado meio tende a propagar-se através dele. A velocidade com que a luz se propaga depende do meio A velocidade máxima de propagação da luz ocorre num meio do qual extraímos toda a matéria. Tal meio é o que denominamos de vazio ou vácuo. O primeiro princípio básico na óptica é o de estabelecer que a velocidade da luz no vácuo tem uma característica absoluta, isto é, não depende do observador.

Meios Ópticos -Transparentes - Translúcidos - Opacos

Princípio da constância da velocidade da luz A velocidade da luz é a mesma para qualquer observador. Este princípio, proposto por Einstein, estabelece que a velocidade da luz é independente do observador e do referencial de inércia. Se um indivíduo em repouso medir a velocidade da luz e encontrar um valor (designamos por a velocidade da luz), então alguém em movimento em relação a ele encontrará o mesmo valor ( ). Por exemplo, um indivíduo em movimento numa nave realizando uma viagem interplanetária encontrará o mesmo valor para a velocidade da luz. Este princípio é bastante surpreendente. Foge da nossa intuição. Ele lançou as bases para o estabelecimento da Teoria da Relatividade de Einstein. A velocidade da luz é finita. Roemer (em 1676) percebeu que a luz demorava cerca de 11 minutos para viajar do Sol até a Terra. A velocidade da luz no vácuo é de 299.792.458 m/s

A propagação rectilínea da luz A luz propaga-se no vazio em linha recta. A propagação rectilínea advém do facto da luz ser composta por fotões, que se movem, na ausência de colisões, em movimento rectilíneo e uniforme. No vácuo ou em meios rarefeitos como o ar, ou até mesmo na água, a tendência da luz é propagar-se em linha recta. Esta característica foi avaliada por Euclides, cerca de 300 anos antes de Cristo.

SOL

Aplicação H x h y H h = x y

Princípio da independência dos raios luminosos Admitimos que os fotões não interagem entre si. Os fotões, não são influenciados por outros fotões, sendo independentes entre si. Os raios luminosos são independentes.

Princípio da reversibilidade da luz Se a trajectória dos fotões (da luz) for percorrida num certo sentido, o sentido oposto é também possível. Qualquer sentido de trajectória de um raio luminoso é possível.

Reflexão A reflexão ocorre quando a luz incide sobre a superfície de separação entre dois meios com propriedades distintas. A reflexibilidade é a tendência dos raios de voltarem para o mesmo meio de onde são provenientes.

Reflexão Quando a luz incide sobre uma superfície separando dois meios, podem ocorrer dois fenómenos distintos: Reflexão da luz e refracção da luz. Parte da luz volta e propaga-se no mesmo meio no qual a luz incide (a reflexão da luz). A outra parte da luz passa de um meio para o outro propagando-se nesse segundo. A esse último fenómeno (no qual a luz passa de um meio para o outro) damos o nome de refracção da luz.

Reflexão Quando a luz incide sobre uma superfície separando dois meios: Os dois fenómenos ocorrem concomitantemente. Pode haver predominância de um fenómeno sobre o outro. O fenómeno predominante vai depender das condições da incidência e da natureza dos dois meios. Se a superfície de separação entre os dois meios for plana (por exemplo, superfície de um metal) e polida (uma superfície regular) então a um feixe incidente de raios luminosos paralelos corresponderá um feixe reflectido de raios luminosos igualmente paralelos. A reflexão nesse caso será denominada de regular. Se a superfície de separação apresentar rugosidades a reflexão será difusa. A luz será espalhada em todas as direcções. Se considerarmos um feixe de raios luminosos incidentes paralelos, os raios reflectidos irão tomar as mais diversas direcções. A grande maioria dos objectos reflecte a luz de uma maneira difusa. Isso nos permite vê-lo de qualquer posição que nos situarmos em relação a ele. Parte da luz é absorvida pelo objecto. Diferentes materiais absorvem luz de forma diferente e por isso vemos objectos das mais variadas cores.

Ponto Objecto: é um ponto formado por raios de luz que incidem no sistema óptico. PONTO OBJETO REAL PONTO OBJETO VIRTUAL PONTO OBJETO IMPROPRIO

Ponto Imagem: Formado por raios de luz que emergem do sistema óptico. PONTO IMAGEM REAL PONTO IMAGEM VIRTUAL PONTO IMAGEM IMPRÓPRIA

Ponto Objecto: é um ponto formado por raios de luz que incidem no sistema óptico. PONTO OBJETO REAL PONTO OBJETO VIRTUAL PONTO OBJETO IMPROPRIO

Ponto Imagem: Formado por raios de luz que emergem do sistema ótico. PONTO IMAGEM REAL PONTO IMAGEM VIRTUAL PONTO IMAGEM IMPRÓPRIA

Espelhos Quando a superfície de separação entre dois meios permitir que a maior parte da luz seja refletida e essa reflexão for regular, dizemos que a superfície entre os dois meios se constitui num espelho. Se essa superfície for plana (se ela se constituir num plano) então o espelho é dito plano. Se a superfície for esférica, o espelho é dito esférico.

Reflexão da luz

TIPOS DE REFLEXÃO Regular Difusa

RI normal RR i r

As leis da reflexão O ângulo formado pelo raio (i) incidente e a reta normal (N) é o ângulo de incidência (representado por î ).

As leis da reflexão O plano formado pelo raio incidente (ou a reta que o contém) e a reta normal, é o plano de incidência. Analogamente, o plano de reflexão é o plano que contém o raio refletido r e a reta normal N.

Primeira lei da reflexão O plano de incidência coincide com o plano de reflexão. Ou seja: "O raio de incidência a recta normal e o raio reflectido estão emitidos no mesmo plano."

Segunda lei da reflexão O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.

Formação de imagens - espelho plano Consideremos: Um objecto muito pequeno de dimensões desprezíveis que pode ser representado como uma fonte de luz punctiforme. Consideremos esse ponto (P) a uma distância d do espelho.

Formação de imagens espelho plano Consideremos agora o prolongamento de todos os raios luminosos reflectidos. Todos se encontram num ponto P'. Tal ponto está a mesma distância d do espelho. Os pontos P e P' são simétricos em relação ao espelho. O ponto P' é o ponto imagem do ponto P.

Campo visual de um espelho plano Um espelho tem um campo visual restrito para um dado observador. O campo visual é a região do espaço dentro do qual todos os objetos nela situados serão vistos. O campo visual depende do tamanho do espelho, da distância do observador ao espelho e da localização do espelho em relação ao observador.

Translações e rotações de um espelho plano se um espelho se deslocar de um valor d (uma distância d) a imagem deslocar-se-á em relação ao espelho, o mesmo valor d.

TRANSLAÇÃO DE ESPELHOS PLANOS Se o objeto se afastar (ou aproximar uma distância x, a sua imagem aproxima-se (ou afasta-se) a mesma distância x.

Rotação de um espelho plano Consideremos um espelho plano que experimenta uma rotação de um ângulo,, por uma das suas extremidades. Pode-se mostrar que = 2 ou seja, o deslocamento angular da imagem é duas vezes maior do que o ângulo de rotação do espelho.

Rotação de um espelho plano o ponto C é equidistante de P 1 ' e de P e também de P 2 ', já que se trata de imagem e objecto, sendo este (o objecto) mantido fixo. Portanto, P 1 ', P e P 2 ' pertencem a uma circunferência com centro em C.

Sistemas de espelhos planos Sendo o ângulo (medido em graus) entre os espelhos, então, se 360/ for um número inteiro par, o número de imagens será dado por.

Espelho plano CARACTERÍSTICAS DA IMAGEM -VIRTUAL - DIREITA - DIMENSÕES DA IMAGEM = OBJETO - REVERSA (DIREITO/ESQUERDO)