Ótica

Disciplina: Física

Prof. Igor Chaves

Introdução• Dos nossos sentidos, a visão tem o papel mais importante para

conhecermos o mundo que nos rodeia. Muito provavelmente por isso a Ótica é uma ciência muito antiga.

• Filósofos gregos, como Platão e Aristóteles, já tentavam responder questões como:Por que vemos um objeto?O que é a luz?

• Entretanto, tais respostas só foram obtidas muito tempo depois, quando cientistas como Newton, Huyghens, Young, Maxwell e Einstein, propuseram novas teorias para explicar os diversos fenômenos luminosos que ocorrem na natureza.

Teorias Primordiais

• Aristóteles (384 a.C. - 322 a.C. ) - Da mesma forma que a voz humana põe em movimento o ar ambiente que agita algum elemento do ouvido, o objeto luminoso vibra, pondo em movimento um meio indefinido, o que ele chamou de diáfano.

• Demócrito (460 a.C. - 370 a.C. ) - Baseado no conceito de atomicidade, acreditava que o feixe luminoso provinha dos objetos e penetrava nos olhos para formar a imagem.

• Pitágoras (582 - 497 a.C.) – Presumia que a visão era causada por algo emitido pelo olho, um “fluxo visual”.

• Tales de Mileto (624 - 546 a.C.) - Foi o primeiro grego a sustentar que a Lua brilhava devido ao reflexo da luz solar.

Quem poderá nos ajudar?

Este conflito de idéias predominou até o século XVII

OU

Natureza da Luz

• Teoria Corpuscular : a luz era considerada como um feixe de partículas emitidas por uma fonte de luz que atingia o olho estimulando a visão.

• Descobriu a dispersão da luz num espectro colorido por meio da refração através de um prisma - Acreditava que a luz era composta por corpúsculos, que eram disviados pelo prisma de acordo com o seu tamanho.

• Conseguiu explicar o porquê da ordem das cores do arco-íris.

Isaac Newton (1642-1727)

Natureza da Luz

• Teoria ondulatória: Em 1803, Young realizou uma experiência demonstrando que a luz possuía natureza ondulatória.

• Difração: o desvio sofrido por ondas ao passarem por um obstáculo, tal como as bordas de uma fenda em um anteparo.

Thomas Young (1773-1829):

Velocidade da LuzPrimeiras tentativas

Galileu foi o primeiro a propor um método para tentar medi-la. A sugestão de Galileu era colocar, o mais afastado possível um do outro, dois homens com lanternas que podiam acender e apagar.

– Um deles A, descobria sua lanterna, de modo que o outro B, pudesse vê-la. Por sua vez B, descobria a sua no instante em que ele visse a luz de A, e A media o tempo entre descobrir sua lanterna e enxergar a luz de B.

Velocidade da Luz• Experiências realizadas nos séculos XVIII e XIX mostraram que a

velocidade da luz é muito grande, mas é finita.

• A primeira medida da velocidade da luz, feita na própria Terra, sem usar métodos astronômicos, foi realizada por Hippolyte FIZEAU, em 1849.

• No século XIX, o cientista francês 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.

C = 3,13x108 m/s

C = 2,98 x108 m/s

Velocidade da Luz

• Baseando-se em medidas atuais o valor da velocidade da luz no vácuo é 3x108 m/s. Assim, um objeto viajando à velocidade da luz daria 7,5 voltas na terra em apenas 1 s.

• A velocidade da luz depende do meio no qual a onda se propaga, na água, por exemplo, a luz se propaga a uma velocidade de 220.000 Km/s, no diamante sua velocidade é 125.000 Km/s

Curiosidade: Ano-Luz corresponde à distância percorrida pela luz num período de 1 ano.

1 Ano - luz = 946 080 000 000 Km

Velocidade da Luz• Na segunda metade do século XIX, James Clerk Maxwell através da sua teoria

de ondas eletromagnéticas, provou que a velocidade com que a onda eletromagnética se propagava no espaço era igual à velocidade da luz.

Conclusão: A luz é uma modalidade de energia radiante que se propaga através de ondas eletromagnéticas.

– Elementos de uma onda: Comprimento de onda, frequência e velocidade

• Frequência: Número de oscilações por segundo. Ela é medida em Hertz (Hz)

• Comprimento de onda: Distância entre dois picos (ou dois vales). Esse valor é fixo para uma mesma onda. Geralmente medida em metros e seus submúltiplos, como o nanômetro.

• Velocidade: Velocidade de propagação da onda. No caso de ondas eletromagnéticas, é a mesma da luz, 300 000 000 m/s

A Frequência de uma onda é inversamente proporcional ao seu comprimento de onda, ou seja, ondas com frequências altas tem pequenos comprimentos de ondas

Tudo Resolvido?

NÃO!!!

Efeito fotoelétrico

• A teoria ondulatória não conseguia explicar o fenômeno de emissão fotoelétrica (experimento realizado por Hertz), que é a ejeção de elétrons quando a luz incide sobre um condutor.

• Einstein (1879-1955), usando a idéia de Planck (1900), mostrou que a energia de um feixe de luz era concentrada em pequenos pacotes de energia, denominados fótons, que explicava o fenômeno da emissão fotoelétrica.

Efeito fotoelétrico

• Os fótons interagem um a um com os elétrons livres do material e eles precisam ter energia suficiente para arrancar os elétrons (essa energia varia de acordo com o material - função trabalho)

• Energia dos elétrons depende da frequência da luz incidente, quanto maior a frequência maior a energia.

• Quando aumentamos a intensidade da luz, estamos aumentando a quantidade de fótons emitidos e não a energia destes.

• O efeito fotoelétrico evidencia um caráter discreto da luz (parecido com partículas)

• Segundo Einstein:

E = h.f ou E = h.c / λ

h = constante de Plank ( h = 6,63 x10 -34 J/s)f é a frequência , número de ciclos por segundo (Hz) c = velocidade da luz no meio (m/s)

• A natureza corpuscular da luz foi confirmada por Compton (1911). Verificou que quando um fóton colide com um elétron, eles se comportam como corpos materiais.

Dualidade Onda-Partícula

Dualidade Onda-Partícula

A propagação da luz ocorre de acordo com suas propriedades ondulatórias, enquanto a troca de energia entre a luz e a matéria é regida por sua natureza corpuscular. Assim, existe uma dualidade onda-partícula na natureza da luz.

Espectro eletromagnético• O espectro eletromagnético apresenta vários tipos de ondas

eletromagnéticas: ondas de rádio, microondas, radiação infravermelha, luz (radiações visíveis), ultravioleta, raios X e raios gama. As ondas diferem entre si pela freqüência e se propagam com a mesma velocidade da luz no vácuo.

V =  λ.f 

Temas dos Seminários• 1 - Ondas de rádio, TV e Wifi

• 2 – Microondas e Ondas infravermelhas

• 3 - Luz visível e Ultra violeta

• 4 - Raio X e Raio Gama

• 5 - Radiações ionizantes (Radiação Alfa, Beta e Gama)

• Data das apresentações: • Valor: 1,5 pontos

Ótica Geométrica

Como enxergamos os objetos?

Porque enxergamos os objetos de uma determinada cor?

Por que isso ocorre?

E as outras cores (cores não básicas)?

Roupas escuras esquentam mais que as claras?

Princípios da Ótica Geométrica

• Princípio da propagação retilínea : Nos meios homogêneos e transparentes a luz se propaga em linha reta.– Em meios heterogêneos a luz não se propaga necessariamente em

linha reta. Como exemplo temos a atmosfera terrestre em que a densidade diminui com o aumento altitude.

• Princípio da independência dos raios de luz : Se dois raios luminosos se cruzam, cada um segue sua trajetória independentemente do outro. Ex: vemos vários objetos ao mesmo tempo.

• Princípio da reversibilidade de raios luminosos : A trajetória seguida pelo raio luminoso independe do sentido do percurso. Ex: O motorista vê o rosto do passageiro pelo retrovisor, isso implica que o passageiro também vê o rosto do motorista.

Altura Aparente dos Astros

A densidade do ar diminui com a altura

Propagação retilínea da luz e as sombras(umbras) e penumbras

Eclipse Lunar

Eclipse Solar

Relação entre sombras de objetos

Fonte: http://www.ciencia-cultura.com/pagina_fis/vestibular00/vestibular-fenomenosopticos002.html

ReflexãoA reflexão da luz é um fenômeno caracterizado pela mudança de

direção do feixe de luz ao encontrar uma superfície de separação de dois meios diferentes, sem que o feixe mude de meio.

Leis da Reflexão  • O raio de incidência a reta normal e o raio refletido estão

emitidos no mesmo plano

• O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.

RefraçãoPlatão em A Republica ...“E os mesmo objetos parecem tortos ou inteiros consoante os olhamos na água ou fora dela...”

Aristóteles - Menciona o quebrar aparente de objetos, parcialmente emerso na água.

Estudou a refração da luz na interface ar-água. Afirmava que devido a refração, podemos ver o Sol, após estar

abaixo do horizonte

Cleomedes (50 d.C.)

Refração• A refração acontece quando a luz passa de um meio para outro.

Como, por exemplo, quando os raios de luz provenientes do sol entram na atmosfera terrestre.

• O raio de luz encontra uma maior dificuldade de se propagar no vidro, esta dificuldade faz com que a velocidade da luz diminua e muda a direção do raio de luz. A dificuldade que a luz sofre ao percorrer um meio é indicada pelo índice de refração do meio (n)

v

cn

Refração

Snell demonstrou, através de experimentação, que os senos dos ângulos mantinham uma relação constante.

Descartes, a partir de seus trabalhos teóricos foi o primeiro a publicar a lei dos senos.

Snell (1591 - 1626)- Descartes (1596 - 1650)

sen i/sen r = v1/v2

1/v1 . sen i = 1/v2. sen r

c/v1 . sen i = c/v2. sen r

Logo,

n1.sen i = n2.sen r

Leis da Refração

• Primeira Lei: O raio incidente, a normal e o raio refratado são coplanares;

• Segunda Lei: Lei de Snell-Descartes

r

i

V

V

rsen

isen

ˆ

ˆ

A velocidade da onda luminosa depende da densidade do meio. Quanto maior a densidade de um meio, menor a velocidade de propagação da onda nesse meio.

1300000

300000vácuon 1000003,1

299999

300000arn

Aplicações da ReflexãoReflexão total e as fibras óticas

Um raio luminoso propagando-se em um meio 2 e incidindo na superfície de separação deste meio com um meio 1, tal que n2 > n1, sofrerá reflexão total se o ângulo de incidência for maior que o ângulo limite L, onde: sen L = n2/n1

L é obtido através da Lei de Snell, considerando que na situação limite o ângulo de refração é 90 graus.

Aplicações da ReflexãoFibras óticas

Uma aplicação importante da reflexão total são as fibras ópticas. Essas fibras são feitas de vidro ou plástico possuem paredes extremamente lisas.

Ao penetrar na fibra, a luz sofre reflexão nas paredes laterais diversas vezes, e com isso ela é transportada a longas distâncias. Por esse motivo, a fibra óptica é um condutor de luz. Essa tecnologia é amplamente utilizada na medicina e nas telecomunicações.

Aplicações da Refração

I>L

I<L

I<L

Reflexão total

Ar frio

Ar quente

Ar mais quente

Ar muito quente

Asfalto

Miragem

Aplicações da Refração

Objeto

Imagem

Altura Aparente dos Astros

A densidade do ar diminui com a altura

Dispersão da Luz• A luz solar é composta por fótons dos mais variados comprimentos de onda.

• O índice de refração de um determinado meio depende do comprimento de onda da luz. – A luz violeta ⇒ maior índice de refração (aproxima-se mais da normal) – A luz vermelha ⇒ menor índice de refração (aproxima-se menos da normal)

• cada luz monocromática (violeta, anil, azul, verde, amarela, alaranjada e vermelha) que compõe a luz solar tomará direções diferentes dentro do outro meio.

O arco-íris• Depois da chuva, minúsculas gotículas de água ficam suspensas no

ar. Ao incidir nessas gotículas, a luz branca, proveniente do Sol, sofre os fenômenos da refração e da dispersão.

As cores do Céu

• Acontece que as moléculas do ar, quando atingidas pela luz solar, espalham com grande intensidade as cores azul e violeta, no entanto, o olho humano é pouco sensível a cor violeta

• Quando chega a tarde, a Terra está mais inclinada e, dessa forma, os raios solares percorrem uma distância muito maior na atmosfera. Assim sendo, a luz azul e violeta, as quais são espalhadas com maior intensidade, não são percebidas pelos olhos do observador, mas as luzes vermelho e alaranjado sim, fazendo com que percebamos o céu na tonalidade vermelho alaranjado.

O Olho Humano

Fim!

Obrigado!