www.fisicadivertida.com.br ROBERTO VAMOS/TYBA Capítulo 1 Aspectos Básicos www.fisicadivertida.com.br ÓPTICA GEOMÉTRICA É a parte da Física que estuda os fenômenos relacionados com a luz e sua interação com meios materiais quando as dimensões destes meios é muito maior que o comprimento de onda da luz. - Natureza corpuscular da luz www.fisicadivertida.com.br 1.1 - VELOCIDADE DA LUZ A velocidade da luz no vácuo é de cerca de 300.000 km/s. Ano luz – é a distância que a luz percorre em 1 ano no vácuo 1 ano luz = 1013 km www.fisicadivertida.com.br 1.2- FONTES DE LUZ • As fontes de luz podem ser de 2 tipos: Primárias ou luminosas São aquelas que produzem a própria luz que emitem. Se dividem em INCANDESCENTES E LUMINESCENTES. www.fisicadivertida.com.br Secundárias ou iluminadas São aquelas que refletem a luz que outras fontes emitem. www.fisicadivertida.com.br 1.3- RAIOS DE LUZ • São segmentos de reta orientados que representam o sentido de propagação da luz e auxiliam na construção de imagens em diversos sistemas ópticos. www.fisicadivertida.com.br 1.4- FEIXE DE LUZ • É um conjunto de raios de luz. Pode ser de 3 tipos: Convergentes www.fisicadivertida.com.br Divergentes www.fisicadivertida.com.br Paralelos www.fisicadivertida.com.br 1.5- INTERAÇÃO DA LUZ COM MEIOS MATERIAIS • Podemos classificar os meios materiais de acordo com a forma com que a luz se propaga (ou não) nos mesmos. www.fisicadivertida.com.br – Meios Transparentes Permitem que a luz se propague neles mantendo o paralelismo dos raios luminosos. Permitem que os objetos possam ser vistos nitidamente. www.fisicadivertida.com.br – Meios Translúcidos Permitem que a luz se propague neles sem a manutenção no paralelismo dos raios luminosos, acabando a nitidez da visualização dos objetos. www.fisicadivertida.com.br – Meios Opacos Não permitem a propagação da luz. www.fisicadivertida.com.br 1.6- REFLEXÃO DA LUZ • Quando um feixe de luz atinge uma superfície de separação entre 2 meios pode ocorrer um fenômeno conhecido como reflexão. www.fisicadivertida.com.br – Reflexão É o fenômeno no qual o feixe de luz atinge a superfície de separação entre 2 meios e retorna ao meio onde já se encontrava propagando. Pode ser de 2 tipos: Regular: Normalmente ocorre em superfícies lisas e polidas. www.fisicadivertida.com.br Difusa: Ocorre em superfícies rugosas OBS: A quase totalidade dos objetos que enxergamos em nosso dia-a-dia refletem a luz de forma difusa. www.fisicadivertida.com.br UM POUCO SOBRE AS CORES DOS OBJETOS – Absorção Neste fenômeno parte da energia do feixe de luz é absorvida pela superfície de separação entre 2 meios. www.fisicadivertida.com.br • Um feixe de luz pode ser monocromático (quando possui apenas uma cor associada a ele) ou policromático (quando possui várias cores em sua composição). www.fisicadivertida.com.br • A luz do sol, por exemplo, é policromática e possui uma infinidade de cores em sua composição, as quais podem ser divididas em 7 cores principais. www.fisicadivertida.com.br 1.7- PROPAGAÇÃO RETILÍNEA DA LUZ Nos meios homogêneos, isotrópicos e transparentes, a luz se propaga em linha reta. www.fisicadivertida.com.br • Princípio da Independência dos Raios Luminosos. – Quando 2 ou mais feixes luminosos se interceptam em sua trajetória eles não modificam suas características após a interferência. www.fisicadivertida.com.br CONSEQUÊNCIAS DA PROPAGAÇÃO RETILINEA DA LUZ - Formação de sombras - Determinação da Altura de Objetos por Semelhança de Triângulos. www.fisicadivertida.com.br www.fisicadivertida.com.br Solução www.fisicadivertida.com.br www.fisicadivertida.com.br • Eclipses www.fisicadivertida.com.br • Eclipses www.fisicadivertida.com.br CONSEQUÊNCIAS DA PROPAGAÇÃO RETILINEA DA LUZ • Sombra e Penumbra. Fontes puntiformes ou pontuais podem produzir apenas sombra. www.fisicadivertida.com.br Fontes extensas produzem sombra e penumbra. www.fisicadivertida.com.br • Formação de Imagens no Interior de Câmaras Escuras. www.fisicadivertida.com.br Relação Geométrica www.fisicadivertida.com.br ROBERTO VAMOS/TYBA Capítulo 2 Espelhos Planos www.fisicadivertida.com.br ROBERTO VAMOS/TYBA www.fisicadivertida.com.br Vamos adotar a seguinte nomenclatura: I Raio incidente no espelho; N Reta normal à superfície do espelho no ponto onde o raio de luz o atinge; R Raio refletido associado ao raio incidente. www.fisicadivertida.com.br • As Leis da Reflexão Regular: – 1a – O raio incidente, a normal e o raio refletido são co-planares. www.fisicadivertida.com.br – 2a – O ângulo formado entre o raio incidente e a normal (i) é igual ao ângulo formado entre o raio refletido e a normal (r). www.fisicadivertida.com.br CONSTRUÇÃO DAS IMAGENS • Para que um observador consiga ver a imagem refletida pelo espelho é preciso que raios provenientes do objeto sejam refletidos pelo espelho e alcancem seu olho. Isto pode acontecer para diferentes posições do observador. www.fisicadivertida.com.br www.fisicadivertida.com.br www.fisicadivertida.com.br • Nos espelhos planos as imagens se formam por reflexão regular. Vamos estudar agora como as imagens se formam e algumas de suas propriedades. www.fisicadivertida.com.br www.fisicadivertida.com.br p i q q q q i=-p www.fisicadivertida.com.br Características das imagens dos espelhos planos Virtual: formada pelo cruzamento dos prolongamentos dos raios refletidos. Direita: os pontos dos objetos estão na mesma posição vertical que os pontos da imagem. Oposta: o lado esquerdo do objeto corresponde ao lado direito da imagem. Simétrica: a distância entre a imagem e o objeto do espelho são iguais. Tamanho: O tamanho da imagem e do objeto são iguais. www.fisicadivertida.com.br www.fisicadivertida.com.br TAMANHO DE ESPELHOS www.fisicadivertida.com.br www.fisicadivertida.com.br TRANSLAÇÃO DE UM ESPELHO PLANO Quando um espelho plano se desloca uma distância d do observador sua imagem desloca-se uma distância D = 2d. Vejamos. www.fisicadivertida.com.br ROTAÇÃO DE UM ESPELHO PLANO Utilizando um raciocínio análogo, podemos pensar sobre o que acontece com um raio de luz, refletido por um espelho plano, ao rotacionarmos o espelho de um ângulo θ: Temos que Δ = 2θ, ou seja, o raio refletido sofre uma rotação igual a duas vezes o ângulo de rotação do espelho. www.fisicadivertida.com.br ASSOCIAÇÃO DE ESPELHOS PLANOS Quando dois espelhos planos são associados formando um ângulo alfa entre eles haverá a formação de n imagens, onde n obedece à seguinte relação: Obs: O ângulo alfa deve ser expresso em graus. CUIDADO: Quando a relação entre os ângulos (360º/alfa) for um número par, o ponto objeto P poderá assumir qualquer posição entre os dois espelhos, mas se for um número ímpar, o ponto objeto P, deverá ser posicionado no plano bissetor de alfa. www.fisicadivertida.com.br www.fisicadivertida.com.br www.fisicadivertida.com.br MOMENTO DA DIVERSÃO O ângulo formado por dois espelhos planos angulares é o quíntuplo do número de imagens obtidas de um único objeto pela associação. a) Qual o número de imagens formadas? b) Qual o ângulo formado entre os espelhos? www.fisicadivertida.com.br CAMPO VISUAL DE UM ESPELHO PLANO Você já deve ter percebido que, quando observamos um espelho plano, se mudarmos a nossa posição diante dele, também alteramos aquilo que está sendo visto através do espelho. É igual ao que ocorre quando olhamos através de uma janela. Se mudarmos a nossa posição diante dela, também alteraremos a visualização da paisagem que está do outro lado. A região do espaço que é possível ser vista através do espelho é chamada de campo visual. www.fisicadivertida.com.br www.fisicadivertida.com.br ROBERTO VAMOS/TYBA Capítulo 3 Espelhos Esféricos www.fisicadivertida.com.br Introdução • Os espelhos esféricos são calotas esféricas polidas. Côncavo Convexo Polido por dentro Polido por fora www.fisicadivertida.com.br Espelhos Esféricos – Elementos E.S. E.P. C R V • Centro de Curvatura (C): É o centro da superfície esférica. • Raio de Curvatura (R): É o raio da superfície esférica. • Vértice (V): É o pólo da calota esférica. • Eixo Principal (E.P.): É a reta definida pelo centro de curvatura e pelo vértice. • Eixo Secundário (E.S.): É qualquer reta que passa pelo centro de curvatura mas não passa pelo vértice. • Ângulo de Abertura (): É o ângulo plano determinado pelos eixos secundários que passam por pontos diametralmente opostos do contorno do espelho. www.fisicadivertida.com.br Focos dos Esp. esféricos • Nos espelhos esféricos quando um feixe de raios luminosos incide paralelamente ao eixo principal, as direções dos raios refletidos passam, necessariamente, por um mesmo ponto do eixo principal denominado Foco Principal ( F ). C F F Espelho côncavo Espelho convexo Foco Real Foco Virtual www.fisicadivertida.com.br C Condições de Gauss • Os espelhos devem ter um pequeno ângulo de abertura (10º). • Os raios incidentes sobre o espelho devem ser paralelos ou pouco inclinados em relação ao eixo principal e próximos do mesmo. • Em nosso curso, salvo recomendação em contrário, todos os espelhos esféricos obedecem às condições de Gauss. www.fisicadivertida.com.br Não satisfaz as condições de Gauss Satisfaz as condições de gauss Formação das imagens Espelho convexo V O I F C Características da Imagem: Virtual, Direita e Reduzida Esse é o único tipo de imagem que esse espelho conjuga!!! www.fisicadivertida.com.br • Objeto real na frente do espelho O I V F C • Imagem: Virtual, direita e menor “atrás do espelho” www.fisicadivertida.com.br Formação das Imagens Esp. côncavo • Objeto real situado no infinito. O I C F V • Imagem: Real em F www.fisicadivertida.com.br Espelho côncavo 1o Caso: Objeto colocado além do centro de curvatura. V O C I F Características da Imagem: Real, Invertida e Reduzida www.fisicadivertida.com.br • Objeto real situado antes do centro de curvatura. O C F V I • Imagem: real, invertida e menor Entre C e F www.fisicadivertida.com.br 2o Caso: Objeto colocado no centro de curvatura. O V C F I Características da Imagem: Real, Invertida e Igual www.fisicadivertida.com.br • Objeto real situado sobre o centro de curvatura. O I C F V • Imagem: real, invertida e igual em C www.fisicadivertida.com.br 3o Caso: Objeto colocado entre o centro de curvatura e o foco O V C F I Características da Imagem: Real, Invertida e Ampliada www.fisicadivertida.com.br • Objeto real situado entre o centro e o foco. O I C F V • Imagem: real, invertida e maior Depois de C www.fisicadivertida.com.br 4o Caso: Objeto colocado no foco O V C F Características da Imagem: Tal composição não conjuga imagem ou conjuga imagem no infinito. www.fisicadivertida.com.br • Objeto real situado sobre o foco. O C F V I • Imagem: imprópria No infinito www.fisicadivertida.com.br 5o Caso: Objeto colocado entre o foco e o vértice. I O V C F Características da Imagem: Virtual, Direita e Ampliada www.fisicadivertida.com.br • Objeto real situado entre o foco e o vértice. I O C F V • Imagem: Virtual, direita e maior “atrás do espelho” www.fisicadivertida.com.br Espelhos Esféricos – Estudo Analítico Equação de Gauss 1 1 1 f p p' f R 2 f = distância focal p = distância do objeto ao vértice. p’ = distância da imagem ao vértice. R = raio do espelho. Convenção de sinais: Real + Virtual − www.fisicadivertida.com.br Ampliação ou Aumento Linear Transversal I p' A O p A = Ampliação, é um número adimensional. www.fisicadivertida.com.br Ampliação da imagem Para resultados de A: - Negativos: imagem invertida. Positivos: imagem direita. |A|>1: imagem ampliada. 0<|A|<1: imagem reduzida. |A|=1: imagem igual. Obs.: O |A| é o fator de ampliação ou redução da imagem. www.fisicadivertida.com.br Exemplo: Espelho côncavo do fo V O C I F di VIRTUAL: NEGATIVO REAL: POSITIVO www.fisicadivertida.com.br Exemplo: Espelho côncavo do fo V O I C F di VIRTUAL: NEGATIVO REAL: POSITIVO Determinar di quando temos que do = 30cm e R=20cm. R fo 2 20cm fo 2 fo 10cm 1 1 1 fo di do 1 1 1 10 di 30 1 1 1 di 10 30 1 3 1 di 30 www.fisicadivertida.com.br 1 2 di 30 30 di 2 di 15cm No exemplo anterior... i) Determinar di quando temos que do = 30cm e R=20cm. di 15cm fo 10cm ii) Determinar a ampliação da imagem. A di do A 15cm 30cm A 0,5 Conclusões: - a imagem está a 15cm do vértice do espelho no plano real; - é invertida porque A é negativo; - é reduzida porque |A| é menor que um. www.fisicadivertida.com.br Exercícios Um observador, situado a 60cm de um espelho esférico, vê sua imagem direita e ampliada duas vezes. Determine a distância focal e o tipo do espelho. p 60cm Imagem direita Im. virtual I 2 I 2 O O f ? tipo de espelho? I p' p' 2 O p p p ' 2 p Im. virtual p ' 2 60 120cm 1 1 1 1 1 1 f p p' f 60 120 1 2 1 1 1 f 120 f 120 f 120cm f ( ) Esp.côncavo www.fisicadivertida.com.br Exercícios Utiliza-se um espelho esférico côncavo, de 60cm de raio, para projetar sobre uma tela a imagem de uma vela ampliada em 5 vezes. Qual a distância da vela ao espelho? R 60cm Im.projetada Im.real I I 5 O O 5 p ? I p´ p´ 5 O p p p ' 5 p Im.real R 60 f 30cm foco real 2 2 1 1 1 1 1 1 f p p' 30 p 5 p 1 5 1 1 6 30 5 p 30 5 p p 36cm www.fisicadivertida.com.br Exercícios Dois espelhos côncavos são colocados um em frente ao outro, com seus pontos focais localizados sobre uma mesma reta. Considerando os raios luminosos indicados na figura, quais as distâncias focais dos espelhos 1 e 2? espelho 1 espelho 2 C1 R1 24 f1 2 2 f 1 12cm F2 R1 f2 24cm 36cm www.fisicadivertida.com.br f 2 36cm ROBERTO VAMOS/TYBA Capítulo 4 Refração da luz – Aspectos Básicos www.fisicadivertida.com.br Luz branca É formada por uma infinidade de radiações monocromáticas (policromática). Espectro visível ao olho humano: www.fisicadivertida.com.br •Passagem da luz de um meio a outro, envolvendo mudança na velocidade de propagação. www.fisicadivertida.com.br SYLVIA CORDAIY PHOTOLIBRARY/ALAMY/OTHER-IMAGES Refração da luz No vácuo: 3 108 m/s. • Em outro meio: depende da densidade deste. SCIENCE PHOTOS/ALAMY/OTHER-IMAGES Velocidade da luz (c) www.fisicadivertida.com.br Índice de refração absoluto (n) •É a razão entre a velocidade da luz no vácuo c e a velocidade da luz no meio considerado v: www.fisicadivertida.com.br Índices de refração de alguns meios materiais www.fisicadivertida.com.br Leis da refração ^ (Snell-Descartes): a razão entre o seno do ângulo ^de incidência ( i ) e o seno do ângulo de refração ( r ) depende apenas dos meios nos quais a luz se propaga. www.fisicadivertida.com.br Consequências da lei de SnellDescartes (Diminuição de velocidade) Meio 1 Meio 2 www.fisicadivertida.com.br Consequências da lei de SnellDescartes (Aumento de velocidade) Meio 1 Meio 2 www.fisicadivertida.com.br Consequências da lei de SnellDescartes Meio 1 Meio 2 www.fisicadivertida.com.br SCIENCE PHOTOS/ALAMY/OTHER-IMAGES Refração em um bloco de vidro www.fisicadivertida.com.br Já sabe responder? • Por que as estrelas parecem piscar no céu? www.fisicadivertida.com.br ROBERTO VAMOS/TYBA Capítulo 5 Reflexão total www.fisicadivertida.com.br REFLEXÃO TOTAL www.fisicadivertida.com.br Ângulo limite É o menor ângulo de incidência da luz em uma superfície de separação entre dois meios a partir do qual ela é totalmente refletida. N N www.fisicadivertida.com.br Determinação do ângulo limite N 2 Reflexão total www.fisicadivertida.com.br Redução do campo de visão 2 Reflexão total www.fisicadivertida.com.br Luz branca Menos do que 24º, de modo que toda luz é refratada. Mais do que 24º, de modo que toda luz é refletida Internamente. www.fisicadivertida.com.br GEORGE B. DIEBOLD/CORBIS/LATINSTOCK O brilho dos diamantes Miragem na estrada 2 Reflexão total www.fisicadivertida.com.br Miragem na estrada www.fisicadivertida.com.br Miragem no deserto www.fisicadivertida.com.br Miragem no deserto www.fisicadivertida.com.br KEVIN CURTIS/SCIENCE PHOTO LIBRARY/LATINSTOCK Fibras ópticas Núcleo Casca Bainha www.fisicadivertida.com.br Isolamento Capa www.fisicadivertida.com.br Já sabe responder? • A luz pode fazer curvas? www.fisicadivertida.com.br ROBERTO VAMOS/TYBA Capítulo 6 Refração em dioptros planos e em lâminas de faces paralelas www.fisicadivertida.com.br Dioptro plano N Imagem Objeto www.fisicadivertida.com.br Refração no dioptro plano www.fisicadivertida.com.br Refração no dioptro plano www.fisicadivertida.com.br Refração atmosférica Posição aparente Atmosfera www.fisicadivertida.com.br Refração negativa www.fisicadivertida.com.br Refração negativa www.fisicadivertida.com.br Lâmina de faces paralelas www.fisicadivertida.com.br Lâmina de faces paralelas www.fisicadivertida.com.br Lâmina de faces paralelas – dupla refração Ar Vidro Ar www.fisicadivertida.com.br Já sabe responder? •Por que a profundidade de uma piscina parece diminuir quando ela está cheia de água? www.fisicadivertida.com.br ROBERTO VAMOS/TYBA Capítulo 7 Dispersão da luz / prismas www.fisicadivertida.com.br Dispersão da luz www.fisicadivertida.com.br Prisma óptico Aresta Base www.fisicadivertida.com.br Como se forma o arco-íris ? SHIGEJI ASANO/CORBIS/LATINSTOCK •As gotas de água da chuva funcionam como prismas, dispersando a luz branca em um arco colorido. www.fisicadivertida.com.br www.fisicadivertida.com.br Índices de refração: mesmo meio e luzes diferentes www.fisicadivertida.com.br www.fisicadivertida.com.br www.fisicadivertida.com.br Prismas de reflexão total Ângulo limite do vidro: cerca de 42° Em ângulos de incidência maiores reflexão total da luz www.fisicadivertida.com.br Periscópio www.fisicadivertida.com.br Binóculo www.fisicadivertida.com.br ALEXANDER FEDIACHOV/SHUTTERSTOCK Já sabe responder? É possível produzir um arco-íris mesmo sem chuva? www.fisicadivertida.com.br ROBERTO VAMOS/TYBA Capítulo 8 Lentes Esféricas www.fisicadivertida.com.br Classificação quanto ao formato Bordas Finas Representação www.fisicadivertida.com.br Bordas Grossas Representação www.fisicadivertida.com.br Classificação Óptica 1º caso (nlente > nmeio) www.fisicadivertida.com.br Classificação Óptica 2º caso (nlente< nmeio) www.fisicadivertida.com.br Lentes Convergentes Objeto antes do A A imagem é: •Menor •Real •Invertida AO FO O www.fisicadivertida.com.br FI AI Objeto sobre A A imagem é: •Mesmo Tamanho •Real •Invertida AO FO O www.fisicadivertida.com.br FI AI Objeto entre A e F A imagem é: •Maior •Real •Invertida AO FO O www.fisicadivertida.com.br FI AI Objeto sobre F A imagem é: •Imprópria AO FO O www.fisicadivertida.com.br FI AI Objeto Entre F e O A imagem é: •Maior •Virtual •Direita AO FO O www.fisicadivertida.com.br FI AI Objeto em qualquer posição A imagem é: •Menor •Virtual •Direita AI FI O www.fisicadivertida.com.br FO AO www.fisicadivertida.com.br Estudo Analítico das Lentes p f y AO FO O FI p www.fisicadivertida.com.br y' AI 1 1 1 f p p' y' p' A y p www.fisicadivertida.com.br ANÁLISE DE SINAIS f p´ y' + → Lente Convergente - → Lente Divergente + → Imagem Real - → Imagem Virtual + → imagem Direita - → Imagem Invertida www.fisicadivertida.com.br VERGÊNCIA OU CONVERGÊNCIA DE UMA LENTE Como apresentado anteriormente quanto maior o desvio, menor a distância focal. Portanto, define-se a convergência de uma lente pela expressão: V = 1/F Quando a distância focal é dada em metros (m) a convergência é dada em m-1, e se chama dioptria (di), popularmente é chamada de “grau” da lente. www.fisicadivertida.com.br EQUAÇÃO DOS FABRICANTES DE LENTES nlente 1 1 V 1. nmeio R1 R2 convexa R concâva plana www.fisicadivertida.com.br Instrumentos ópticos: microscópio simples (lupa) www.fisicadivertida.com.br Instrumentos ópticos: microscópio composto. www.fisicadivertida.com.br Instrumentos ópticos: luneta astronômica www.fisicadivertida.com.br ROBERTO VAMOS/TYBA Capítulo 9 Óptica da Visão www.fisicadivertida.com.br O globo ocular humano www.fisicadivertida.com.br Miopia • A miopia se caracteriza pela dificuldade de enxergar objetos muito longe, ou seja, no infinito. • A imagem se forma antes da retina. www.fisicadivertida.com.br Correção da Miopia • A correção é feita mediante o uso de lentes divergentes, que diminuem a vergência do sistema ocular: www.fisicadivertida.com.br CORREÇÃO DA MIOPIA www.fisicadivertida.com.br www.fisicadivertida.com.br Correção da Hipermetropia • A correção é feita com o uso de lentes convergentes, que aumentam a vergência do sistema ocular: www.fisicadivertida.com.br CORREÇÃO DA HIPERMETROPIA www.fisicadivertida.com.br RESUMINDO OS DEFEITOS DA VISÃO Problema Miopia Imagem antes da retina Hipermetropia Imagem depois da retina Presbiopia Astigmatismo Correção Divergente (f p R ) Convergente 1 1 1 ( ) f 25 p p Imagem depois da retina Convergente 1 1 1 ( ) f 25 p p Visão “manchada” dos objetos Cilíndrica www.fisicadivertida.com.br RESUMINDO A ACOMODAÇÃO VISUAL www.fisicadivertida.com.br RECEITA DE ÓCULOS Dioptria esférica Dioptria cilíndrica Para longe MIOPIA (V˂0) HIPERMETROPIA (V˃0) ASTIGMATISMO Para perto PARA IDOSOS www.fisicadivertida.com.br www.fisicadivertida.com.br www.fisicadivertida.com.br