a natureza da luz
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1. Histórico2. A velocidade da luz3. Aspectos ondulatórios da luz
O que é uma onda, ondas transversais e longitudinais A onda eletromagnética, velocidade, comprimento de onda O espectro eletromagnético Difração e interferência, a aproximação da ótica geométrica
4. Refração e reflexão Lei de Snell, Dispersão, reflexão interna total, miragens Princípio de Huygens & Lei de Snell
5. Polarização6. Espalhamento
Parte I - A NATUREZA DA LUZ
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1. Histórico
Egito: espelhos de metal polidos Grécia
estudos de Platão, Aristóteles, Demócrito e Pitágoras Euclides, 300 AC, enunciado da Lei da Reflexão,
estudos da refração, uso de vidros queimadores 1000 DC- Alhazen
Tratado sobre espelhos esféricos e parabolicos, descrição do olho humano
Final do século 13, tradução para o latim Século 13- Alquimistas produzem películas finas
que podem ser depositadas sobre o vidro para produzir espelhos
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1. Histórico
Século 17 1608- patente do telescópio solicitada por um
holândes Galileu faz observações astronômicas com seu
próprio instrumento (luneta refratora) Zacharias Jansen inventa o microscópio composto Kepler (1611) – reflexão interna total, lei de refração
para pequenos ângulos 1621- Lei de Snell, 1657 – Fermat – dedução da lei de refração usando o
princípio de tempo mínimo Francisco Grimaldi, e Robert Hook, relatos do
fenômeno de difração da luz
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1. Histórico
1672- Modelo corpuscular “luz é constituída de um
feixe de partículas” Usando as leis da mecânica
– refração e reflexão
Newton (1642- 1727)
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1. Histórico
Descreve a decomposição da luz ao atravessar um prisma (dispersão)
1630 – constrói telescópios refletores para eliminar aberração cromática
Newton (1642- 1727)
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6
1. Histórico
Modelo ondulatório Deduz corretamente as
leis de refração e refração
Descobre a dupla refração na calcita
Explica outros fenômenos óticos; difração e interferência que não podiam ser explicados pelo modelo corpuscular
Christian Huygens
(1629-1695)
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2. A natureza da luz
Difração e interferência
Thomas Young
(1773-1829)
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8
2. A Velocidade da Luz
Primeira estimativa – 1676 Olaf Roemer eclipse de Io, lua de Júpiter Período de revolução de Io;
42,5h Período de revolução de Jupíter
12 anos terrestres Revolução de180o da Terra=15o
de Jupíter c≈ 2,1x108 m/s
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2. A Velocidade da Luz
Método de Fizeau Mais preciso, usando uma
roda dentada C=3,1x108 m/s
Teoria do eletromagnetismo Previsão da existência de
ondas eletromagnéticas Propagação no vácuo, com
velocidade igual a velocidade da luz no vácuo
Hertz - 1887 oito anos após a morte de
Maxwell, comprovação da existência de ondas eletromagnéticas usando um circuito oscilante
James Clark Maxwell
1831-1879
00
1
µε=c
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2. A velocidade da luz
Problemas O que é o vácuo? Como a luz pode se propagar no vácuo?
Teoria do éter Fluido que preenche todo o espaço “vazio” no universo Propriedades mecânicas contraditórias
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2. A velocidade da luz
Experiência de Michelson- Morley A velocidade da luz não
depende do movimento do observador?!
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2. A velocidade da luz
Mais problemas!!
e-e-
Efeito fotoelétrico
luz
Baseado no Trabalho de Planck(1900)Einstein, 1905- luz é composta por fótons, transportando energia E=hν
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Veleiro solar
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Solarsail_msfc.jpg
NASA study of a solar sail. The sail would be half a kilometre wide.
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Veleiro solar
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Nano_Sail_D.jpg
A team from the NASA Marshall Space Flight Center (Marshall), along with a team from the NASA Ames Research Center, developed a solar sail mission called NanoSail-D which was lost in a launch failure aboard a Falcon 1 rocket on 3 August 2008.
The NanoSail-D structure was made of aluminum and plastic, with the spacecraft massing less than 10 pounds (4.5 kg). The sail has about 100 square feet (9.3 m2) of light-catching surface.
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2. A velocidade da luz
Qual é o modelo para a luz? Mecânica quântica- onda e partícula Experimentalmente verificamos ora a natureza
natureza ondulatória, ora a natureza corpuscular, mas nunca as duas simultâneamente.
Princípio da Relatividade A velocidade da luz é constante, independente do
referencial, c=3x108 m/s.
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3 . Aspectos Ondulatórios da luz3 . Aspectos Ondulatórios da luz
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Ondas
3. Aspectos ondulatórios da luz
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Onda longitudinal
Onda sonora
Onda mecânica em uma mola
3. Aspectos ondulatórios da luz
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Onda transversal
Propagação de uma perturbação, sem transporte de matéria
Na foto: a pequena bolinha presa à mola, oscila apenas verticalmente, enquanto a onda se propaga para a direita.
Não há deslocamento na direção de propagação da onda
3. Aspectos ondulatórios da luz
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Princípio de Superposição
3. Aspectos ondulatórios da luz
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Frentes de onda
circulares
retas
3. Aspectos ondulatórios da luz
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Frentes de onda e raios de luz
esféricas
planas
Os raios de luz, indicados pelas setas, são perpendiculares à superfície da frente de onda e indicam a direção de propagação da onda.
3. Aspectos ondulatórios da luz
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Onda senoidal
v= λf
00
1
µε=c
Amplitude
Comprimento de onda
λv
Onda eletromagnética no vácuo
v=c
3. Aspectos ondulatórios da luz
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Onda eletromagnética
3. Aspectos ondulatórios da luz
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O espectro eletromagnético
f = 8,35 x 1014 Hz λ= 3,6 x 10-7 m
f = 3,85 x 1014 Hzλ= 7,8 x 10-7 m
3. Aspectos ondulatórios da luz
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O espectro eletromagnético
Não tem limites definidos e nem lacunas.
curtolongo
molécula de águaproteínavírusbactériacélula
bola de baseballcasa
campo defutebol
comp. de onda(em metros)
tam. de umcomp. de onda
nome comum da onda
fontes
freqüência(Hz)
energia deum fóton (eV)
baixa alta
ondas de rádio
micro-ondas
infravermelho ultravioletavisívelraios-x “duros”
raios-x “moles” raios gama
cavidade rf
fornomicro-ondas pessoas lâmpadas máq. de
raios-x
elementos radiativos
rádio FM
rádio AMradar
ALS
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Algumas regiões conhecidas
Espectro de Radiação Eletromagnética
Região Comp. Onda(Angstroms)
Comp. Onda(centímetros)
Freqüência (Hz)
Energia (eV)
Rádio > 109 > 10 < 3 x 109 < 10-5
Micro-ondas 109 - 106 10 - 0.01 3 x 109 - 3 x 1012 10-5 - 0.01
Infra-vermelho 106 - 7000 0.01 - 7 x 10-5 3 x 1012 - 4.3 x 1014 0.01 - 2
Visível 7000 - 4000 7 x 10-5 - 4 x 10-5 4.3 x 1014 - 7.5 x 1014 2 - 3
Ultravioleta 4000 - 10 4 x 10-5 - 10-7 7.5 x 1014 - 3 x 1017 3 - 103
Raios-X 10 - 0.1 10-7 - 10-9 3 x 1017 - 3 x 1019 103 - 105
Raios Gama < 0.1 < 10-9 > 3 x 1019 > 105
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Luz do sol
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Sensibilidade do olho humano
Diferente para ambientes iluminados e não-iluminados
comprimento de onda (nm)
se
ns
ibil
ida
de
re
lati
va
adaptadoà luz
adaptadoao escuro
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30
34.7 Reflexão e Refração
objeto
furo
imagem
Propagação retilínea óptica geométrica(meio isotrópico)
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34.1 O Arco-íris de Maxwell
1831-1879
James Clerk Maxwell:- raio luminoso = onda eletromagnética- óptica (luz visível) = ramo do eletrom.
Meados do séc. XIX:- espectro = UV-Vis + IR
Heinrich Hertz:- gerou ondas de rádio- velocidade = velocidade da luz visível
Heinrich Hertz
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32
Reflexão e Refração
Na interface entre dois meios.
raioincidente
raiorefletido
raiorefratado
raioincidente
raiorefletido
raiorefratado
Ar
Vidro
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Reflexão e Refração
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Lei da reflexão
Raio refletido no plano de incidência
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Refração
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Lei da refração
(lei de Snell)
Índices de refração
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Resultados básicos
θ1
θ2
θ2
θ2
θ1
θ1
normal
normal
normal
n1
n1
n1
n2
n2
n2
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Índice de refração
Material Índice de Refração* ar 1,0003diamante 2,419sílica fundida 1,458quartzo 1,418flint leve 1,655
*para 589,29 nm
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Dispersão cromática
Comp. de onda (nm)
Índi
ce d
e re
fraç
ão,
n Vidro crown
acrílico
Quartzo fundido
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40
Lei de Snell e dispersão
θ1
normal
n1
n2
θ1
normal
n1
n2
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41
Num prisma
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42
Arco-íris
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34.8 Reflexão interna total
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44
Reflexão interna total
quando
1
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Fibras ópticas
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46
Exercícios e Problemas
5. Na figura abaixo, um raio luminoso penetra em uma placa de vidro no ponto A e sofre reflexão interna total no ponto B. Qual o menor valor do índice de refração do vidro que é compatível com esta situação?
vidro
Ar
A
B
45,0o
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Ondas de rádio
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49
Ondas de rádio
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50
Pressão da Radiação Eletromagnética
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51
Ondas luminosas e raios X
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52
laser
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53
Raios X
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54
Difração
λ<<d λ ≈d
λ>>d
Aproximação da ótica geométrica
Aberturas grandes; ⇒ d>>λ
Não se considera a difração !
3. Aspectos ondulatórios da luz
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55
Interferência
3. Aspectos ondulatórios da luz
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56
Referências
www.lightandmatter.com http://educar.sc.usp.br/otica/ http://www.glenbrook.k12.il.us/GBSSCI/PHYS/CLASS/
BBoard.html R. A . Serway, Física 3 para Cientistas e Engenheiros, 3ª.
Edição. Editora Livros Técnicos e Científicos, (1996). Capítulo 35
Sears e Zemansky- Física IV- Ótica e Física Moderna, 10ª. Ed., Addison Wesley (2004). Capítulo 34