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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!