ÓPTICA
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• Introdução
• O que é Óptica?
• Propagação da Luz
– Reflexão
– Refração
• Óptica Geométrica
– Espelhos
– Lentes
– Formação de imagens
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O que é Óptica?
- A óptica é o capítulo da física que estuda os fenômenos
relacionados à luz, uma das formas pelas quais a energia se
manifesta.
Micro-ondas
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Infra-vermelho
Visível
- A luz é apenas uma pequena parcela de uma vasto conjunto,
o espectro eletromagnético. Distinguimos as diversas partes
deste espectro por valores de “freqüência” ou por
“comprimentos de onda”.
Ultra-violeta
Raio X
105
Comprimento de onda (nm)
Raios gama
radio
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Propagação da Luz - Reflexão
Quando a luz que se propaga por um meio e encontra em seu caminho
uma superfície, pode ser rebatida e voltar ao mesmo meio em que se
propagava, mudando de direção e conservando a velocidade. É o
fenômeno da reflexão da luz.
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Propagação da Luz - Reflexão
• O raio incidente faz
um ângulo θ1 com a
normal a superfície,
o qual é chamado
ângulo de incidência;
• O raio refletido faz
um ângulo θ1’ com a
normal a superfície,
chamado ângulo de
reflexão.
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Propagação da Luz - Lei da reflexão
Primeira parte:
“Raio incidente e
refletido estão no
mesmo plano”
1
1’
Segunda parte:
“O ângulo de reflexão é
igual ao ângulo de
incidência”
θ1=θ1’
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Propagação da Luz - Lei da reflexão
Experimento Número 1:
Demonstração da Lei da Reflexão usando um transferidor
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Propagação da Luz - Propriedades da Reflexão
• Reflexão difusa é aquela em
uma superfície rugosa
• Os raios são refletidos em
várias direções diferentes
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Propagação da Luz - Propriedades da Reflexão
• Reflexão especular é a reflexão
em uma superfície polida,
como os espelhos por exemplo.
• Os
raios
refletidos
paralelos entre si.
são
• A Óptica concentra-se no
estudo da reflexão especular,
pois a reflexão difusa é
imprevisível.
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Propagação da Luz - Propriedades da Reflexão
A reflexão especular e difusa são casos
extremos. A maior parte das superfícies tem
propriedades refletoras intermediárias.
Difusa
Especular
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Propagação da Luz - Refração
• Quando um feixe de luz
incide obliquamente na
superfície de separação
entre dois meios, parte
do feixe é refletido e
parte do feixe penetra
nesse segundo meio.
Incidente
Refletida
• O raio que penetra no
segundo meio é
desviado na superfície
– Esse desvio do raio
é chamado refração
Refratada
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Propagação da Luz - Refração
“O raio incidente, o raio
refletido,
e o raio
refratado pertencem ao
mesmo plano”
O ângulo de refração,
θ 2,
depende
das
propriedades do meio
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Propagação da Luz - Refração
v1 : velocidade da luz no primeiro meio
v2 : velocidade da luz no segundo meio
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Propagação da Luz - Refração
• O raio de luz quando penetra
em
meio
onde
a
sua
velocidade é mais baixa, ou
seja, um meio mais denso,
então o raio aproxima-se da
reta normal à superfície.
• O ângulo de refração é menor
que o ângulo de incidência.
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Propagação da Luz - Refração
• O raio de luz quando penetra
em
meio
onde
a
sua
velocidade é mais alta, ou
seja, um meio menos denso,
então o raio afasta-se da
reta normal à superfície.
• O ângulo de
menor que o
incidência.
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refração é
ângulo de
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Propagação da Luz - Refração
• Raio  é o raio
incidente
• Raio  é o raio
refletido
• Raio  é o raio
refratado no meio
translúcido
• Raio  é o raio
internamente
refletido
• Raio  is o raio
refratado quando sai
do meio translúcido
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Propagação da Luz - Refração
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Propagação da Luz - Refração
Experimento Número 2:
Demonstração da Lei da Refração
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Óptica Geométrica - Espelhos
Um espelho pode ser simplesmente um pedaço de
vidro
preto
ou
uma
superfície
metálica
cuidadosamente polida.
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Óptica Geométrica - Espelho Plano
Distância objeto Distância imagem
Para encontrar a
imagem formada é
necessário prolongar
pelo menos dois raios
de luz que são
refletidos pelo espelho
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Óptica Geométrica - Espelho Plano
p=q!
• A imagem e o objeto
encontram-se a mesma
distância da superfície do
espelho.
• Os ângulos de incidência
e reflexão são iguais –
Lei da reflexão.
• A imagem formada pelo
espelho é uma imagem
virtual e direita
• A
imagem
não
ampliada, MT = 1
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é
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Óptica Geométrica - Espelho Plano
• A imagem de uma mão esquerda em um
espelho plano é uma mão direita.
• O processo que transoforma um sistema
de coordenadas direito no espaço
objeto, em um sistema de coordenadas
esquerdo no espaço imagem, tem o
nome de INVERSÃO.
• Sistemas com mais de um espelho plano
podem ser utilizados para criar um
número par ou ímpar de inversões.
• Uma rotação a de um espelho provoca
um deslocamento angular de 2a no feixe
ou na imagem.
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Óptica Geométrica - Lentes
• A lente é o dispositivo óptico mais utilizado;
• Observamos o mundo através de um par de lentes;
• A forma da lente depende do tipo da aplicação desejada. É comum
desejar converter uma onda esférica em uma onda plana, é o caso de
projetores e faróis.
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Óptica Geométrica - Classificação das Lentes
• Uma lente simples é uma peça de vidro ou plástico formada
por duas superfícies refratoras (dioptros). Essas superfícies
são segmentos de uma esfera ou de um plano.
• Uma lente composta é constituída por vários elementos.
• Uma lente pode ser classificada por sua espessura: delgada
ou espessa.
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Óptica Geométrica - Classificação das Lentes
R1>0
R1>0
R1> 0
R2<0
R2>0
R2= infinito
• São mais espessas no centro
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Óptica Geométrica - Classificação das Lentes
R1<0
R1>0
R1< 0
R2>0
R2>0
R2= infinito
• São mais espessas nas bordas
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Óptica Geométrica - Lentes Convergentes
• Os
raios paralelos
atravessam a lente e
convergem para o
ponto focal F
• f é positivo
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Óptica Geométrica - Lentes Divergentes
• Os
raios
paralelos
divergem após atravessar
a lente
• O ponto focal é o ponto de
onde os raios parecem ser
originários
• f é negativo
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Óptica Geométrica - Raios Paraxiais
• Os raios que se propagam muito próximos do eixo óptico,
com inclinações reduzidas são designados raios paraxiais
• A frente de onda associada a estes raios paraxiais é
essencialmente esférica e dá origem a uma imagem
perfeita
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Óptica Geométrica - Lentes Divergentes
Experimento Número 3:
Expansão, Colimação e Convergência de um Feixe
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Óptica Geométrica - Equação das Lentes Finas
Fórmula de
Gauss
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Diagrama de raios para lentes convergentes, p > f
R1
R2
Invertida
Real
Maior
O
I
f
f‘
p
q
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Diagrama de raios para lentes convergentes, p < f
Direita
Virtual
Maior
I
O
f‘
f
R1
R2
p
q
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Diagrama de raios pra lentes divergentes
O
I
f‘
f
R1
p
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q
R2
Direita
Virtual
Menor
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Óptica Geométrica - Formação de Imagem
Experimento Número 4:
Formação de Imagem
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Óptica Geométrica - Exercício
Digamos que se queira utilizar uma lente divergente com
f=-20 cm para formar uma imagem que é direita, virtual
e um terço da altura do objeto.
(a) Onde o objeto deveria ser colocado?
(b) Desenhe o diagrama com os três raios principais.
Solução:
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Óptica Geométrica - Exercício
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