Óptica é
o ramo da física que estuda os fenômenos relacionados à luz. Devido ao fato do
sentido da visão ser o que mais contribui para a aquisição do conhecimento, a
óptica é uma ciência bastante antiga, surgindo a partir do momento em que as
pessoas começaram a fazer questionamentos sobre o funcionamento da visão e sua
relação com os fenômenos ópticos.
A luz pode ser definida como uma energia que
pode ser estudada tanto como onda eletromagnética quanto como fótons
(partículas em movimento).
Os princípios fundamentais da óptica são:
1º - Princípio
da Propagação Retilínea: a luz sempre se propaga em
linha reta;
2º - Princípio
da Independência de raios de luz: os raios de luz são
independentes, podendo até mesmo se cruzarem, não ocasionando nenhuma mudança
em relação à direção dos mesmos;
3º - Princípio da Reversibilidade da Luz: a luz é reversível. Por exemplo, se vemos alguém
através de um espelho, certamente essa pessoa também nos verá. Assim, os raios
de luz sempre são capazes de fazer o caminho na direção inversa.
A luz pode ser propagada em três
diferentes tipos de meios.
-Os meios transparentes permitem a
passagem ordenada dos raios de luz, dando a possibilidade de ver os corpos com
nitidez. Exemplos: vidro polido, ar atmosférico, etc.
-Nos
meios translúcidos a
luz também se propaga, porém de maneira desordenada, fazendo com que os corpos
sejam vistos sem nitidez. Exemplos: vidro fosco, plásticos, etc.
-Os
meios opacos são
aqueles que impedem completamente a passagem de luz, não permitindo a visão de
corpos através dos mesmos. Exemplos: portas de madeira, paredes de cimento,
pessoas, etc.
Reflexão e refração são fenômenos muito comuns que estão
relacionados à propagação da luz. Quando a luz está se propagando em um
determinado meio e atinge uma superfície, como um bloco de vidro transparente,
por exemplo, parte dessa luz retorna para o meio no qual estava se propagando.
Este fato é chamado de reflexão
da luz. Já a outra parte da luz que passa para o outro meio, é
a refração da luz.
Esses dois fenômenos ocorrem de forma simultânea, no entanto, pode acontecer de
um prevalecer sobre o outro, mas isso depende da natureza dos meios que a luz
esta incidindo e das condições de incidência.
A reflexão pode ser
definida de duas formas. Quando a superfície de incidência da luz é totalmente
polida, o raio refletido é bem definido. Quando isso acontece dizemos que
ocorreu reflexão
especular. Por outro lado, se a superfície de incidência for
irregular, cheia de imperfeições, os raios de luz não são bem refletidos e,
dessa forma, ocorre o que chamamos de reflexão difusa.
De maneira simples podemos dizer que
a reflexão é o ato da luz ser refletida para o meio que estava se propagando. A
reflexão luminosa é regida por duas leis que são:
•
Primeira Lei – diz que o raio incidente, o raio refletido e a normal pertencem
ao mesmo plano.
•
Segunda Lei – diz que o ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência, ou
seja, r = i.
A refração da luz é
responsável por uma série de fenômenos ópticos que acontecem no cotidiano, como
por exemplo, o fato de a profundidade de uma piscina parecer menor do que
realmente é. Esse fenômeno acontece em razão da diferença entre os meios de
propagação.
Podemos
definir a refração como sendo o fenômeno
que consiste na mudança de direção de propagação dos feixes de luz quando essa
passa de um meio para outro.
Quando a luz sai de um meio para
outro o ângulo de reflexão é o mesmo do ângulo incidente. Para
calcular o índice
de refração (Quando a luz passa de um meio para outro, sua velocidade aumenta
ou diminui devido às diferenças das estruturas atômicas das duas substâncias,
ou de suas densidades ópticas ou índices de refração) usa-se a expressão:
n= sen i
sen
t
Espelhos Planos
São os espelhos planos que utilizamos com maior frequência. Para
descobrir as características das imagens fornecidas por um espelho plano, nada
melhor do que te colocares em frente a um. Um espelho plano fornece apenas uma imagem de cada objeto,
mas dois espelhos planos dispostos aparecem várias imagens do mesmo objeto,
para calcular quantas imagens iram aparecer se usa a seguinte formula:
Espelhos Convexos
Os espelhos curvos convexos também
têm alguma utilidade no nosso dia-a-dia. Ao
prolongar, com um tracejado, os raios refletido para trás do espelho, estes
cruzam-se num ponto a que chamamos Foco. Este Foco, por se encontrar
"dentro" do espelho, é considerado um Foco virtual.
Num espelho convexo, as imagens apresentam
as seguintes características:
A imagem obtida ...
... é virtual, parece formar-se atrás do espelho;
... é direita;
...menor que o objeto;
... simétrica do objeto em relação ao espelho.
Espelhos Côncavos
Todos os raios convergem para um único ponto a que se dá o nome de Foco.
Este Foco, como se encontra fora do espelho é um Foco real:
Num espelho
côncavo, a imagem apresentada depende da distância a que o Objeto se encontra
do espelho. Assim:
-Quando o objeto
está muito afastado do espelho, a uma distância superior ao raio (sobre a linha
vermelha) a imagem é real, invertida e menor do que o Objeto.
-Quando o Objeto
está entre o foco e o centro (sobre a linha vermelha) a imagem é real, invertida e maior do
que o objeto.
-Quando o objeto
está muito próximo do espelho, entre o vértice e o foco (sobre a linha
vermelha) a imagem é virtual, direita e maior do que o
Objeto.
Lentes
Lente convergente: As lentes convergentes aproximam os
raios de luz, tipo uma lupa que une todos os raios em um único ponto bem
pequeno.
Lente divergente: As divergentes fazem o contrario, afastam os raios de luz, ou seja
divergem os raios de luz.
Olho Humano:
No olho míope, as imagens se formam antes da
retina. Corrige-se esse defeito, colocando-se uma lente divergente diante dos olhos. No olho hipermetrope, as imagens se formam depois da retina. Para se
corrigir o defeito, coloca-se uma lente convergente
diante do olho.
Dispersão da Luz
Dispersão da luz é o nome dado ao fenômeno no qual uma luz
policromática, ao se refratar, decompõe-se nas cores componentes. Esse fenômeno
se deve ao fato de que o índice de refração de qualquer meio material depende
da cor da luz incidente.
O fenômeno da dispersão pode ser mais bem observado quando a luz
policromática (luz branca), que se propaga no ar, incide obliquamente em um
prisma de vidro. A decomposição da luz ocorre na face onde ela incide, sendo
que a separação das cores (espectro aumentado) ocorre quando a luz se refrata
novamente na outra face.
"O que causa um arco-íris?"
Em um arco-íris, as gotas de
chuva no ar agem como pequenos prismas. A luz entra na gota
de chuva, reflete do outro lado da gota e sai. Durante o
processo, ela é dividida em um espectro assim como acontece em um prisma triangular
de vidro.
Por que o céu é azul?
A
explicação para essa pergunta pode ser dada a partir de um fenômeno físico que
ocorre na atmosfera, denominado de espalhamento
de Rayleigh. Como se sabe, a radiação solar que aquece a
Terra é uma luz extremamente brilhosa e branca, porém composta por várias
outras tonalidades de cor, cada qual com um comprimento de onda específico. O
que ocorre é que quando a luz penetra na atmosfera ela atinge os átomos de
nitrogênio e oxigênio, bem como as outras partículas que compõem a atmosfera,
dando origem ao fenômeno do espalhamento.
Como
sabemos, a luz é uma onda que possui vários comprimentos. Segundo o fenômeno
físico do espalhamento, a luz solar é espalhada em várias direções e com várias
tonalidades de cor, cada uma com um comprimento de onda específico, no entanto,
a onda que possui o comprimento da cor azul é bem mais definida e eficiente do
que as outras. Por esse motivo é que vemos o Sol como um disco brilhante e o
restante do céu todo azul, justamente em razão do efeito que a luz provoca
sobre os átomos que compõem o ar, a qual faz com que a luz seja espalhada em
vários comprimentos de onda, dos quais somente percebemos a cor azul.
O
mesmo ocorre pela tarde, quando passamos a ver o céu com um leve toque de
vermelho ou laranja, que se deve ao fato de a luz percorrer um caminho maior
para chegar até nossos olhos.
Por que o pôr do sol e a alvorada são vermelhos?
Quando o sol está no horizonte, a luz leva um
caminho muito maior através da atmosfera para chegar aos nossos olhos do que
quando está sobre nossas cabeças. A luz azul nesse caminho foi toda dispersada
, a atmosfera atua como um filtro , e muito pouca luz azul chega até você,
enquanto que a luz vermelha que não é dispersada e sim transmitida alcança
nossos olhos com facilidade. Nessa hora a luz branca está sem o azul.
Durante a dispersão da luz nas moléculas ocorre o fenômeno de interferência
destrutiva em que a onda principal se subdivide em várias outras de menor
intensidade e em todas direções, porém mantendo a energia total conservada. O
efeito disto é que a luz azul do sol que vinha em linha reta passa a ir em
todas as direções. Ao meio dia todas as direções estão próximas de nós mas no
entardecer a dispersão leva para longe do nosso campo de visão o azul já que a
luz solar percorre uma longa tangente na circunferência da terra até chegar aos
nossos olhos.
Além disso, o vermelho e o laranja tornam-se muito mais vívidos no crepúsculo
quando há poeira ou fumaça no ar, provocado por incêndios, tempestade de poeira
e vulcões. Isso ocorre porque essas partículas maiores também provocam
dispersão com a luz de comprimento de onda próximos, no caso o vermelho e
laranja.
Por que as nuvens são brancas?
Nas nuvens existem partículas ( gotas de água ) de tamanhos muito maiores
que o comprimento de ondas da luz ocorrendo dispersão generalizada em todo o
espectro visível e iguais quantidades de azul, verde e vermelho se juntam
formando o branco.
Como funciona o raio laser?
O
raio laser é formado por partículas de luz (fótons) concentradas e emitidas em
forma de um feixe contínuo. Para fazer isso, é preciso estimular os átomos de
algum material a emitir fótons. Essa luz é canalizada com a ajuda de espelhos
para formar um feixe. A tecnologia foi criada em 1960 por Theodore Maiman. Na
ocasião, o físico americano estimulou átomos de rubi a emitir luz concentrada.
Desde então, o laser evoluiu e atualmente é empregado em aparelhos caseiros,
cirúrgicos, industriais, militares e espaciais – raios laser já foram usados
até para medir a distância entre a Terra e a Lua. Embora seja possível criar
armas para cegar inimigos e para interceptar mísseis (aquecendo-os até
explodirem), pistolas que disparam laser, como a ilustrada abaixo, não devem
deixar de ser ficção científica tão cedo.
Como funciona uma célula fotovoltaica?
As células fotovoltaicas funcionam de acordo
com um fenómeno físico básico designado “efeito fotoeléctrico.”
01. Quando um número suficiente de fotões
colide com uma placa semicondutora, como o silício, podem ser absorvidos pelos
seus electrões à superfície.
02. A absorção de energia adicional permite que
os electrões (com carga negativa) se libertem dos átomos. Os electrões
tornam-se móveis, e o espaço que ficou é preenchido por um outro electrão de
uma camada inferior do semicondutor.
03. Consequentemente, um dos lados da bolacha
de sílicio possui uma maior concentração de electrões do que o outro, o que
origina uma voltagem entre os dois lados. Ligar os dois lados com um fio
eléctrico permite que os electrões afluam ao outro lado da bolacha gerando
corrente eléctrica.
