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Física

Óptica

Miguel Bertelli
Publicado por Miguel Bertelli
Última atualização: 26/4/2019

Introdução

Óptica é um ramo da física que tem como objetivo o estudo da luz, e está presente desde a antiguidade, quando os fenômenos ópticos já eram observados e utilizados no dia a dia.

Como exemplo, temos o uso de um cristal para observar o sol mesmo em dias nublados, usado para navegação pelo povo nórdico.

Nesse ramo da física são estudados a trajetória que a luz segue, o funcionamento dos espelhos, os problemas de visão, chegando até a estrutura do átomo.

Ramos da óptica

A óptica se subdivide em vários ramos. Neste texto, focaremos no estudo da óptica geométrica.

Os dois principais ramos da óptica são:

  • Óptica Geométrica: Neste ramo, a luz é estudada como raios que percorrem trajetórias retilíneas. Podemos observar fenômenos como a reflexão, a refração, e, além disso, ver como ocorre a formação de imagens em espelhos e lentes;
  • Óptica Física: Nesse ramo, a luz é vista como onda, logo, é estudado o comportamento ondulatório. Fenômenos como difração, interferência e polarização são observados.

Princípios fundamentais da óptica

Na óptica geométrica temos 3 princípios fundamentais dos raios de luz. São eles:

1. Princípio da propagação retilínea

Um raio de luz sempre vai se propagar em linha reta. Uma prova disso é a câmara escura de orifício, na qual temos uma caixa totalmente escura com um pequeno furo, por onde a luz vai entrar e se projetar dentro da caixa, na face oposta uma imagem invertida.

2. Princípio da independência de raios de luz

Os raios de luz são independentes, ou seja, mesmo se eles se encontrarem, não vão interagir mudando de direção ou sentido.

3. Princípio da reversibilidade da luz

Esse princípio nos diz que a luz é reversível. Um exemplo prático disso é que, se vemos alguém através de um espelho, essa pessoa também estará nos vendo.

Meios de propagação

A luz se propaga através de 3 tipos de meio diferentes. São eles:

  • Meio transparente: Os raios de luz passam por esse meio de forma ordenada. É possível ver corpos através desse meio com nitidez. Um exemplo é o vidro polido, como os que vemos em janelas;
  • Meio translúcido: Os raios de luz passam por esse meio de forma desordenada. É possível ver corpos através desse meio sem nitidez. Um exemplo simples é o vidro opaco, presente em algumas janelas e em boxes de banheiro;
  • Meio opaco: Os raios de luz não conseguem se propagar através desse meio. Não podemos ver um corpo através desse meio. Um exemplo seria uma porta de madeira.

Fenômenos do raio de luz 

Temos dois tipos principais de fenômenos que ocorrem:

1. Reflexão

Reflexão dos raios de luz

Reflexão é quando o raio de luz volta a se propagar no meio de origem depois de incidir em algum objeto. Temos o raio incidente, vindo em direção ao objeto, e o raio refletido, que volta ao meio de origem.

2. Refração

Refração é o nome dado quando um raio de luz tem sua velocidade alterada quando passa de um meio para outro com índice de refração diferente. Com isso, o ângulo do raio refratado pode diminuir ou aumentar.

Índice de refração

O índice de refração de um meio é dado pela seguinte fórmula:

\[n=\frac{c}{v}\]

Onde:

  • n é o índice de refração;
  • c é a velocidade da luz (\(3.10^{8}\) m/s)
  • v é a velocidade de propagação do raio de luz no meio;

\[n_{1} < n_{2}\]

Esquema de um raio de luz passando de um meio para o outro.

Para o caso em que um raio de luz passa de um meio com menor índice de refração para um meio com maior índice de refração, a velocidade do raio diminui e, com isso, o ângulo do raio refratado também diminui, ou seja, ele se aproxima da reta normal.

\[n_{1} > n_{2}\]

Esquema de um raio de luz passando de um meio para o outro.

Para o caso em que um raio de luz passa de um meio com maior índice de refração para um meio com menor índice de refração, a velocidade do raio aumenta e, com isso, o ângulo do raio refratado também aumenta, ou seja, ele se afasta da reta normal.

Imagem real e imagem virtual

Para entender o funcionamento dos espelhos planos e esféricos, precisamos entender esses dois tipos de imagens:

  • Imagem real: As imagens reais são formadas pelo encontro real dos raios de luz, formando sempre uma imagem com orientação contrária. A imagem real pode ser projetada;
  • Imagem virtual: As imagens virtuais são formadas pelo prolongamento dos raios de luz, formando uma imagem com a mesma orientação do objeto. A imagem virtual não pode ser projetada.

Cor

A cor de um objeto não é uma característica dele, e sim da luz que o ilumina.

Um objeto possui a cor do raio de luz que ele reflete, um exemplo disso é a luz solar incidindo em uma planta verde. A planta vai absorver todas as cores, menos a cor verde, que vai refletir, e, assim, o raio luminoso verde vai chegar nos olhos do observador.

Um objeto preto absorve todas as cores. Um objeto branco reflete todas as cores.

Grau de uma lente

Lentes são muito usadas para corrigir problemas de visão.

Podemos ter dois tipos de lentes:

  • Divergente: Vão espalhar os raios de luz;
  • Convergente: Vão focalizar os raios de luz em um único ponto;

O quanto uma lente consegue desviar a luz se chama vergência, e é dada pela seguinte fórmula:

\[V=\frac{1}{F}\]

Onde:

  • V é a vergência;
  • F é o foco da lente;

A unidade é dada por dioptria (di), que equivale ao inverso do metro. No dia a dia, a unidade que usamos é o grau.

Fórmulas

\[n=\frac{c}{v}\]

\[V=\frac{1}{F}\]


Exercícios

Exercício 1
(ENEM/2010)

Um grupo de cientistas liderado por pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), nos Estados Unidos, construiu o primeiro metamaterial que apresenta valor negativo do índice de refração relativo para a luz visível. Denomina-se metamaterial um material óptico artificial, tridimensional, formado por pequenas estruturas menores do que o comprimento de onda da luz, o que lhe dá propriedades e comportamentos que não são encontrados em materiais naturais. Esse material tem sido chamado de “canhoto".   (Disponível em: http://www.inovacaotecnologica.com.br. Acesso em: 28 abr. 2010 (adaptado).

Considerando o comportamento atípico desse metamaterial, qual é a figura que representa a refração da luz ao passar do ar para esse meio?

A. 

B. 

C. 

D. 

E. 

Selecione a resposta correta dentre as alternativas referente às imagens acima:

Ilustração: Rapaz corpulento de camiseta, short e tênis acenando

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