Física – Ótica

Ótica Geométrica.

O capítulo da física denominado ótica é a parte que se dedica ao estudo da luz e todas suas manifestações, aplicações e efeitos. O que primeiro se desenvolveu foi a chamada ótica geométrica. É desta parte que provém a denominação das lojas que se dedicam ao comércio, fabricação e desenvolvimento de aparelhos óticos. Eles usam os conhecimentos teóricos aplicando-os na fabricação de equipamentos diversos que se usam no cotidiano dos cidadãos.

Temos alguns conceitos fundamentais na ótica, cuja definição é mais empírica. Entre esses conceitos podemos citar: raio de luz, fonte de luz, fonte puntual ou puntiforme, fonte extensa, feixe de luz e alguns outros.

Fonte de luz: é todo corpo visível.

Alguém poderá perguntar como um objeto qualquer é uma fonte de luz?

A resposta para isso é bem simples. O corpo que reflete a luz que vem de outra fonte, torna-se por sua vez uma fonte de luz o que permite que seja visto. Por exemplo a Lua. Ela não emite luz própria, mas reflete a luz solar e a dispersa no espaço que incide em sua superfície. Assim ela se torna visível. Por isso ela é uma fonte de luz. Isso nos permite dizer que as fontes de luz podem ser fontes primárias (que têm luz própria) e fontes secundárias (refletem luz de outras fontes). Os corpos de luz própria também são denominados corpos luminosos, enquanto os que apenas refletem a luz recebida dos outros são corpos iluminados.

Fontes primárias são:

a) as incandescentes, como é o caso do sol, uma vela, lampião a combustível, lâmpada elétrica de filamento, fogueira. Produzem luz devido à alta temperatura.

b) as luminescentes produzem luz por meio de um fenômeno químico ou físico-químico. Se dividem em fluorescentes e fosforescentes. Entre as fluorescentes existem as lâmpadas a vapor de mercúrio e assemelhadas. As fosforescentes produzem luz por conta de reações químicas que ocorrem em seu interior.

Fontes secundárias são todos os corpos que refletem a luz que recebem de outras fontes. Começamos pela Lua, os planetas, asteroides, cometas e todos os objetos que nos rodeiam, até nosso próprio corpo.

Raio de luz: é um conceito puramente geométrico e não tem existência real, concreta. Não é possível separar a luz em raios que possam ser contados. Mas usamos esse conceito para representar a direção e sentido em que a luz se propaga em determinado lugar. É representado por uma linha reta, ou não, onde se coloca uma seta em um ponto qualquer para indicar o sentido da propagação da luz.

Feixe de luz: seria uma porção de raios de luz que têm uma direção e sentido definidos. Um feixe pode ser paralelo, convergente ou divergente.

Feixe paralelo: raios que têm a mesma direção e sentido, propagando-se juntos.

Feixe convergente: raios que se dirigem para um mesmo ponto.

Feixe divergente: raios que emergem de um ponto e se dirigem para pontos diferentes.

Fontes com luz própria ou corpos luminosos como é o caso do Sol. Fontes que refletem a luz ou corpos iluminados é o caso da Terra e da Lua.
Essas representações são meramente geométricas, o que facilita a análise para efeito de compreensão do comportamento da propagação da luz.
Os feixes convergentes e divergentes também são denominados pincel de luz.

Fonte puntiforme: novamente um conceito apenas geométrico. De cada ponto de qualquer fonte, podemos imaginar saindo um feixe de luz divergente. É esta a concepção de fonte puntiforme. Se pudéssemos isolar um ponto ele iria irradiar feixes divergentes em todas as direções ao seu redor.

A melhor forma de materializar uma fonte puntiforme com aproximação razoável é colocar uma folha opaca, na qual se fez um furo com a ponta de uma agulha de costura, diante de uma fonte extensa. A porção de luz que passa pelo furo se transforma em um pincel de luz divergente como se fosse um ponto luminoso.

Fonte extensa: estas são as fontes que realmente existem, pois em cada objeto podemos identificar uma infinidade de pontos, sendo que de cada um emerge um feixe de luz. Nesse conjunto de raios, podemos identificar os feixes paralelos, os feixes convergentes e divergentes.

Dessa forma podemos dizer que o Sol, a Terra, a Lua e todos os objetos que nos rodeiam são fontes luminosas extensas. Dependendo da natureza da luz emitida, elas são de luz própria ou de luz refletida.

Obs.: A questão de um corpo ser fonte puntiforme ou extensa também varia conforme a posição do observador. Uma lâmpada vista de alguns metros é uma fonte extensa. Já se ela for olhada de um quilômetro ou mais, não passará de um mero pontinho. Até as colossais estrelas, inúmeras vezes maiores que o Sol de nosso sistema planetário, são por nós vistas como minúsculos pontos de luz. Isso se deve à descomunal distância em que elas se encontram. Dessa forma apenas uma minúscula porção de “raios” de luz proveniente delas atinge nossos olhos e elas nos parecem um ponto. Se as víssemos mais de perto o resultado seria outro.

Meios em que a luz se propaga: a luz se propaga em meios que chamamos de transparentes e também nos translúcidos.

Meios em que a luz não se propaga: são os meios denominados opacos, como é o caso dos metais em geral, pedras (em grande parte), terra, madeira e uma infinidade de materiais em que a luz não consegue passar.

Velocidade de propagação da luz: no vácuo a luz se propaga a uma velocidade de 299.792.458 m/s ou ${3,0.10^6 km/s}$. De modo geral o valor usado é o arredondado, uma vez que o erro cometido é muito pequeno.

Isso nos permite determinar que o valor aproximado do tempo que a luz do Sol gasta para chegar na Terra é de 8 minutos e 15/20 segundos aproximadamente. Esse valor varia com a posição da Terra em sua órbita elíptica em torno do Sol.

Nos meios materiais transparentes como o ar, vidro, cristais e outros, a velocidade varia de acordo com as características físicas do meio. Iremos estudar esse efeito mais adiante, no momento oportuno.

Princípios da ótica geométrica

Primeiro princípio ou Propagação retilínea: A luz se propaga em linha reta em todas as direções, nos meios isótropos e homogêneos

Segundo princípio ou Princípio da reversibilidade: A trajetória da luz é a mesma da fonte ao observador, quando invertemos suas posições.

Terceiro princípio ou Princípio da independência dos raios de luz: Os raios de luz se propagam independentes uns dos outros nos meios isótropos e homogêneos. Quando ocorre o encontro de dois feixes luminosos num ponto do espaço, eles passam um pelo outro como se nada houvesse acontecido. No ponto de encontro poderá ocorrer interferência, mas depois continuam a se propagar como se nada houvesse acontecido.

Classificação dos meios quanto ao comportamento da luz.

  1. Meios opacos são os meios em que a luz não se propaga. Será refletida ou absorvida. Geralmente ocorrem as duas coisas.
A luz que incide é refletida e absorvida, em proporções que estejam de acordo com a natureza do material e o estado da superfície.
  1. Meios translúcidos são os meios nos quais a luz se propaga mais não em linha reta. Isso impede a visualização de imagem nítida do outro lado.
A luz que incide atravessa o meio e emerge de modo desordenado na outra face ou é absorvida no interior do meio.
  1. Meios transparentes são os meios em que a maior parcela da energia luminosa é transmitida, em linha reta e assim se consegue ver uma imagem nítida do outro lado.
O feixe de luz atravessa de maneira uniforme e emerge na outra face do mesmo modo.

Reflexão da Luz.

Você provavelmente já lançou uma bola contra uma parede ou muro. O que acontece no instante do impacto?

Sem dúvida você responderá que ela bate e volta. A direção do movimento na volta, depende do ângulo em que ocorre o impacto. Para um ângulo de 90º o retorno também será nessa mesma direção. Para os demais ângulos teremos uma direção diferente.

No caso da luz incidir sobre uma superfície, seu comportamento será similar ao da bola. Se ela incidir na direção perpendicular, refletirá na perpendicular, retornando pelo mesmo caminho da ida. Se incidir numa direção oblíqua, irá refletir num ângulo igual ao de incidência em relação à perpendicular (normal), apenas no lado oposto.

As superfícies especulares são via de regra metálicas, devido á maior uniformidade do poder refletor.
Nestas duas imagens podemos ver que a luz que incide convergente sobre uma superfície especular, reflete-se convergindo para um ponto, simétrico do que seria seu ponto de encontro atrás do espelho. O feixe divergente, diverge como se tivesse se originado no ponto onde se localiza a imagem da fonte do feixe.

Podemos ter:

Reflexão metálica é característica das superfícies metálicas ou metalizadas, que apresentam um elevado poder de reflexão, para qualquer ângulo de incidência.

Reflexão vítrea é característica das superfícies de vidro e outros materiais semelhantes, onde se verifica um crescimento acentuado do poder refletor na medida em que o ângulo de incidência aumenta em relação à normal. Você pode fazer a experiência com uma placa de vidro ou uma bacia com água limpa em repouso. Quando a luz incide num ângulo pequeno, ou seja, próximo da normal, a luz é refletida com pouca intensidade. Na medida em que a incidência aumenta, a reflexão aumenta de intensidade, até o ponto de provocar ofuscamento.

Reflexão especular quando ela acontece em uma superfície polida, geralmente metálica. Um feixe paralelo volta paralelo. Se o feixe for convergente reflete convergente e se for divergente também volta é divergente.

Reflexão difusa acontece em uma superfície rugosa ou irregular. Um feixe paralelo é refletido em diversas direções. Um exemplo desse tipo de reflexão pode ser visto em uma superfície de água levemente ondulada, no momento que o sol incide sobre ela.

Uma superfície irregular produz uma reflexão difusa, isto é, dispersa os raios incidentes em diferentes direções, devido à posição da normal no ponto de incidência não ser uniforme.

Absorção da luz acontece em superfícies que tem baixo poder de reflexão e não transmitem a luz. A energia transportada pelo feixe de luz é absorvida e convertida em energia térmica, produzindo aquecimento. Isso é aplicado nos sistemas de aquecimento solar de água.

A energia que a luz transporta se converte em energia térmica, provocando o aquecimento do corpo sobre o qual incide.

No próximo post daremos continuidade ao assunto. Se houver algum ponto que tenha ficado confuso ou mail entendido, não fique na dúvida. Use um dos canais abaixo para fazer contato e tirar as dúvidas.

Curitiba, 15 de setembro de 2019. Atualizado em 14 de outubro de 2019.

Décio Adams

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