Óptica – Óptica geométrica e espelhos planos

Conceitos Básicos

• Luz: onda eletromagnética que se propaga no vácuo e em alguns meios materiais. Velocidade da luz no vácuo: c = 300.000km/s.
• Raio de luz: segmento de reta orientado no sentido da propagação.

• Fontes primárias: corpos que emitem luz própria. Ex.: Sol.

• Fontes secundárias: corpos que refletem a luz emitida pelas fontes primárias. Ex.: Lua.

Meios de Propagação da Luz

• Meio transparente: propagação regular da luz; observador vê objeto com nitidez.

• Meio translúcido: propagação irregular da luz; observador vê objeto sem nitidez.

• Meio opaco: não permite a propagação de luz; ex.: a pele humana.

Princípios da Óptica Geométrica

A luz, durante sua propagação, obedece a uma série de princípios:

• Princípio da Propagação Retilínea dos Raios Luminosos: em meios homogêneos e transparentes, a luz se propaga em linha reta.

• Princípio da Independência dos Raios Luminosos: quando dois raios de luz ou feixes de luz se cruzam, continuam suas trajetórias individualmente. Um raio não interfere na trajetória de outro.
  
  
• Princípio da Reversibilidade dos Raios Luminosos: o caminho seguido por um raio de luz independe do sentido de propagação. Ou seja, se vale o caminho de ida também vale o caminho de volta. Ex: se você está enxergando uma pessoa, obrigatoriamente essa pessoa também pode lhe ver
   
• Sombra e Penumbra

Se pensarmos em uma fonte de luz pontual, essas regiões recebem o nome de SOMBRA ou UMBRA.

Agora, se pensarmos em uma fonte extensa ou várias fontes pontuais, teremos duas regiões distintas. A região que não recebe luz de região alguma é chamada de sombra, mas a região parcialmente iluminada – que recebe luz da fonte extensa ou de alguma das fontes pontuais – é chamada de PENUMBRA.

Câmara Escura com Orifício

Uma câmara escura com orifício é constituída por uma caixa de paredes opacas; um pequeno orifício é feito em uma das faces. Com isso, a luz vinda de um objeto incide pelo orifício e é refletida no fundo da caixa, gerando uma imagem projetada e invertida em relação ao objeto.

Eclipses

As regiões de sombra e penumbra de corpos e fontes esféricas são conceitos importantes para entender o fenômeno dos eclipses. Trata-se de um fenômeno natural que acontece com relativa frequência. O último eclipse total do Sol registrado ocorreu em 1999. Como o Sol, a Lua e a Terra são corpos esféricos, valem as considerações anteriores sobre sombra e penumbra.

O eclipse do Sol ocorre quando a Lua se interpõe entre o Sol e a Terra; o Sol fica eclipsado pela Lua. Já o eclipse da Lua ocorre quando a Terra se interpõe entre o Sol e a Lua; nesse caso, a Lua entra primeiro no cone de penumbra da Terra e depois na região de sombra da Terra.

Obs.: Eclipse solar só ocorre em fase de Lua Nova e eclipse lunar só ocorre em fase de Lua Cheia.

Fases da Lua

No hemisfério sul, as fases da Lua seguem, em média, os seguintes períodos de visibilidade:

• Lua Cheia: nasce, tem seu ápice e se põe, respectivamente, às 18h – 24h – 06h.
• Lua Nova: nasce, tem seu ápice e se põe, respectivamente, às 06h – 12h – 18h.
• Lua Crescente: nasce, tem seu ápice e se põe, respectivamente, às 12h – 18h – 24h.
• Lua Minguante: nasce, tem seu ápice e se põe, respectivamente, às 24h – 06h – 12h.

Lembre-se que cada fase da Lua dura sete dias, tendo o período lunar, então, uma duração de 28 dias, em média.

A Cor de um Corpo

Ao realizar experimentos com a luz solar no século XVII, Isaac Newton verificou que ela dava origem a feixes de luz coloridos quando atravessava um prisma, correspondentes às cores do arco-íris. Dispondo de outro prisma, verificou também que era capaz de recombinar as luzes, fazendo luz solar emanar do prisma, o que chamou de luz branca.

Um feixe de luz é chamado de monocromático se for formado por apenas uma das cores do espectro eletromagnético (vermelho, amarelo, alaranjado, verde, azul, anil e violeta), como acontece em um laser. Falaremos do espectro eletromagnético e a teoria ondulatória em outro momento. Ao contrário, um feixe de luz é chamado de policromático quando é formado por várias cores, como é o caso da luz branca.

A cor de um corpo iluminado é determinada pela constituição da luz que ele reflete difusamente. Se, por exemplo, um corpo iluminado com luz branca refletir a luz verde e absorver as demais, este corpo terá cor verde; quando iluminado com luz branca, absorvendo-a totalmente, terá cor preta.

Se iluminarmos um corpo de cor verde com luz monocromática vermelha, ele nos parecerá preto, pois absorve a luz vermelha, não enviando nada aos nossos olhos.

Reflexão
A reflexão da luz é algo bem familiar pra todo mundo. Você vê seu reflexo no espelho plano do banheiro todo dia de manhã, por exemplo. A reflexão de raios luminosos que incidem em superfícies planas e polidas, como um espelho plano, é chamada de reflexão especular, de speculum, palavra do Latim para “espelho”.

A lei da reflexão afirma que:

• O raio incidente e o raio refletido estão no mesmo plano perpendicular à superfície;
• O ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência: θI = θR

Para superfícies “ásperas”, as irregularidades fazem com que os raios refletidos saiam em direções aleatórias. Essa situação, mostrada abaixo, é conhecida como reflexão difusa.

Espelhos Planos

Ao colocarmos uma fonte luminosa em frente a um espelho plano, o que acontecerá com a luz refletida e qual tipo de imagem obteremos?

Ora, os raios que saem da fonte são refletidos no espelho plano e chegam aos nossos olhos formando a imagem. Mas, por outro lado, nossos olhos interpretam como se a imagem estivesse vindo de dentro do espelho, daí o nome de imagem virtual.

Note também que a distância entre o objeto e o espelho é igual à distância entre imagem e espelho. Por isso, dizemos que a imagem é simétrica. Logo, não precisamos traçar vários raios para descobrir onde está a imagem: basta traçar uma reta saindo do objeto, perpendicular ao plano do espelho. A imagem está em um ponto dessa reta, atrás do espelho e na mesma distância.

Características das Imagens em Espelhos Planos

• Imagem normal: possui o mesmo tamanho do objeto. No entanto, temos a impressão de que, à medida que nos afastamos de um espelho plano, nossa imagem diminui. O que acontece, na verdade, é que, à medida que nos afastamos, o ângulo visual subentendido pela imagem diminui e nosso cérebro interpreta isso como uma imagem menor

• Imagem direita: está alinhado com o objeto, ou seja, de cabeça para cima;
• Enantiomorfismo: o lado direito do objeto corresponde ao lado esquerdo da imagem e vice-versa.  É justamente por causa desse fato que, para que o motorista consiga ler corretamente através do retrovisor, a palavra “AMBULÂNCIA” é escrita de forma invertida na capô.

Associação de Espelhos Planos

Chamamos de associação de espelhos o arranjo de dois espelhos colocados lado a lado, com uma aresta em comum. Neste caso, podem acontecer múltiplas reflexões de um mesmo raio de luz, ou seja, um raio de luz pode ser refletido várias vezes, gerando um número maior de imagens. As imagens se formam distribuídas em uma circunferência cujo centro é a interseção dos espelhos.

O número de imagens formada por uma associação pode ser calculado através da seguinte equação:

em que α é o ângulo entre os dois espelhos.

Translação de Espelhos Planos

Ao movermos um espelho plano, alteramos a distância entre ele e o objeto. Com isso, a distância entre imagem e espelho também se altera.

Notamos a partir da figura que a imagem se desloca o dobro do deslocamento do espelho. Com isso, concluímos também que a velocidade da imagem em relação ao solo é o dobro da velocidade do espelho em relação ao solo:

Fonte:Desconversa