Óptica
Teoria
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.
Sombra e Penumbra
Quando um obstáculo opaco é colocado entre uma fonte de luz e um anteparo, é possível delimitar regiões de sombra e penumbra.
Eclipses
A cor de um Corpo
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.
Leis da refração
Para estudar a refração, deve-se entender alguns termos.
A linha imaginária perpendicular à superfície que divide os dois meios (dioptro) é chamada normal. O ângulo entre o raio incidente (raio deluz no meio 1) e a normal se chama ângulo de incidência (i), o ângulo entre o raio refratado (raio de luz no meio 2) e a normal é conhecido como ângulo de refração.
Onde:
• î: ângulo de incidência;
• R: ângulo de reflexão;
• r: ângulo de refração.
O fenômeno da refração é regido pelas duas leis seguintes:
• 1ª Lei da Refração: O raio incidente, o raio refratado e a reta normal traçada pelo ponto de incidência estão contidos no mesmo plano.
• 2ª Lei da Refração (Lei de Snell): A razão entre o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo de refração é constante para cada dioptro e para cada luz monocromática.
A Lei de Snell é expressa por:
𝑛
1∙ 𝑠𝑒𝑛𝑖 ̂ = 𝑛
2∙ 𝑠𝑒𝑛𝑟̂
Onde:
• n1 e n2: índice de refração dos meios 1 e 2, respectivamente;
• sen î: seno do ângulo de incidência;
• sen r: seno do ângulo de refração.
Anomalia visual
Miopia
A miopia é uma deformidade no globo ocular, fazendo com que a retina esteja mais afastada. Essa nova distância P´ ocasiona problemas na formação de imagens, uma vez que os raios luminosos não são focalizados na retina, como mostra a imagem abaixo.
Fonte: Tópicos de Física, volume 2 — 12.ed.
Uma das formas de correção é a utilização de óculos, onde as lentes divergentes dos óculos têm a função de abrir esses raios, focalizando na retina.
Hipermetropia
Quando um olho hipermetrope não realiza esforço de acomodação, o foco da lente L está situado além da retina. Essa anomalia ocorre em virtude do encurtamento do olho humano na direção do eixo óptico ou de uma curvatura insuficiente na córnea e/ou no cristalino. Uma das formas de correção é a utilização de óculos com lentes convergentes.
Fonte: Tópicos de Física, volume 2 — 12.ed.
,
Exercícios de vestibulares
1.
Na formação das imagens na retina da vista humana normal, o cristalino funciona como uma lente:a) convergente, formando imagens reais, diretas e diminuídas;
b) divergente, formando imagens reais, diretas e diminuídas;
c) convergente, formando imagens reais, invertidas e diminuídas;
d) divergente, formando imagens virtuais, diretas e ampliadas;
e) convergente, formando imagens virtuais, invertidas e diminuídas.
2.
Leia as afirmações a seguir sobre a índice de refração.I. O índice de refração é resultado da razão entre a velocidade da luz em um meio qualquer e a velocidade da luz no vácuo.
II. O raio de luz refratado aproxima-se da reta normal, se a luz sofrer refração, passando da região de maior para a de menor índice de refração.
III. O raio de luz refratado afasta-se da reta normal, se a luz sofrer refração, passando da região de maior para a de menor índice de refração.
IV. O índice de refração é resultado da razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz em um meio qualquer.
Está correto o que se afirma em:
a) I e II b) I e III c) II e III d) II e IV e) III e IV
3.
No dia 27 de setembro de 2015, houve o eclipse da superlua. Esse evento é a combinação de dois fenômenos, que são: um eclipse lunar e a superlua. Isso só acontecerá novamente em 2033. No fenômeno da superlua, o astro fica mais perto da terra e parece até maior, com um brilho extraordinário.Já o fenômeno do eclipse lunar é consequência da __________ da luz e ele ocorre totalmente quando a posição relativa dos astros é sol, terra e lua
A sequência correta para o preenchimento das lacunas é:
a) propagação retilínea b) reflexão
c) propagação retilínea d) dispersão
4.
Os eclipses ocorrem quando um astro, na sua movimentação pelo espaço Sideral, oculta momentaneamente outro astro. Observe o desenho.(Adaptado de: NASA/Goddard Space Flight Center – Eclipses.) O desenho acima está representando o eclipse
a) total da Terra.
b) parcial da Lua.
c) parcial da Terra.
d) total da Lua.
e) parcial do Sol.
5.
Uma fonte secundária de luz que se apresenta na cor azul possui tal cor porque:a) refrata a luz incidente.
b) reflete a luz azul.
c) difrata a luz azul.
d) absorve a luz azul.
e) emite luz azul.
Exercícios de vestibulares
1.
(Enem 2015) Entre os anos de 1028 e 1038, Alhazen (lbn al-Haytham: 965-1040 d.C.) escreveu sua principal obra, o Livro da Óptica, que, com base em experimentos, explicava o funcionamento da visão e outros aspectos da ótica, por exemplo, o funcionamento da câmara escura. O livro foi traduzido e incorporado aos conhecimentos científicos ocidentais pelos europeus. Na figura, retirada dessa obra, é representada a imagem invertida de edificações em tecido utilizado como anteparo.Se fizermos uma analogia entre a ilustração e o olho humano, o tecido corresponde ao(à) a) íris
b) retina c) pupila d) córnea e) cristalino
2.
(Enem 2019) Os olhos humanos normalmente têm três tipos de cones responsáveis pela percepção das cores: um tipo para tons vermelhos, um para tons azuis e outro para tons verdes. As diversas cores que enxergamos são o resultado da percepção das cores básicas, como indica a figura.A protanopia é um tipo de daltonismo em que há diminuição ou ausência de receptores da cor vermelha.
Considere um teste com dois voluntários: uma pessoa com visão normal e outra com caso severo de protanopia. Nesse teste, eles devem escrever a cor dos cartões que lhes são mostrados. São utilizadas as cores indicadas na figura.
Para qual cartão os dois voluntários identificarão a mesma cor?
a) Vermelho.
b) Magenta.
c) Amarelo.
d) Branco.
e) Azul.
3.
(Enem PPL 2019) A figura mostra, de forma esquemática, uma representação comum em diversos livros e textos sobre eclipses. Apenas analisando essa figura, um estudante pode concluir que os eclipses podem ocorrer duas vezes a cada volta completa da Lua em torno da Terra. Apesar de a figura levar a essa percepção, algumas informações adicionais são necessárias para se concluir que nem o eclipse solar, nem o lunar ocorrem com tal periodicidade.A periodicidade dos eclipses ser diferente da possível percepção do estudante ocorre em razão de:
a) eclipses noturnos serem imperceptíveis da Terra.
b) planos das órbitas da Terra e da Lua serem diferentes.
c) distância entre a Terra e a Lua variar ao longo da órbita.
d) eclipses serem visíveis apenas em parte da superfície da Terra.
e) o Sol ser uma fonte de luz extensa comparado ao tamanho da lua.
4.
(Enem PPL 2016) Algumas crianças, ao brincarem de esconde-esconde, tapam os olhos com as mãos, acreditando que, ao adotarem tal procedimento, não poderão ser vistas.Essa percepção da criança contraria o conhecimento científico porque, para serem vistos, os objetos a) refletem partículas de luz (fótons), que atingem os olhos.
b) geram partículas de luz (fótons), convertidas pela fonte externa.
c) são atingidos por partículas de luz (fótons), emitidas pelos olhos.
d) refletem partículas de luz (fótons), que se chocam com os fótons emitidos pelos olhos.
e) são atingidos pelas partículas de luz (fótons), emitidas pela fonte externa e pelos olhos.
5.
(Enem 2014) É comum aos fotógrafos tirar fotos coloridas em ambientes iluminados por lâmpadas fluorescentes, que contêm uma forte composição de luz verde. A consequência desse fato na fotografia é que todos os objetos claros, principalmente os brancos, aparecerão esverdeados. Para equilibrar as cores, deve-se usar um filtro adequado para diminuir a intensidade da luz verde que chega aos sensores da câmera fotográfica. Na escolha desse filtro, utiliza-se o conhecimento da composição das cores-luz primárias: vermelho, verde e azul; e das cores-luz secundárias: amarelo = vermelho + verde, ciano = verde + azul e magenta = vermelho + azul.Disponível em: http://nautilus.fis.uc.pt. Acesso em 20 maio 2014 (adaptado).
Na situação descrita, qual deve ser o filtro utilizado para que a fotografia apresente as cores naturais dos objetos?
a) Ciano.
b) Verde.
c) Amarelo.
d) Magenta.
e) Vermelho.
6.
(Enem 2019) Quando se considera a extrema velocidade com que a luz se espalha por todos os lados e que, quando vêm de diferentes lugares, mesmo totalmente opostos, os raios luminosos se atravessam uns aos outros sem se atrapalharem, compreende-se que, quando vemos um objeto luminoso, isso não poderia ocorrer pelo transporte de uma matéria que venha do objeto até nós, como uma flecha ou bala atravessa o ar; pois certamente isso repugna bastante a essas duas propriedades da luz, principalmente a última.HUYGENS, C. in: MARTINS, R. A. Tratado sobre a luz, de Cristian Huygens.
Caderno de História e Filosofia da Ciência, supl. 4, 1986.
O texto contesta que concepção acerca do comportamento da luz?
a) O entendimento de que a luz precisa de um meio de propagação, difundido pelos defensores da existência do éter.
b) O modelo ondulatório para a luz, o qual considera a possibilidade de interferência entre feixes luminosos.
c) O modelo corpuscular defendido por Newton, que descreve a luz como um feixe de partículas.
d) A crença na velocidade infinita da luz, defendida pela maioria dos filósofos gregos.
e) A ideia defendida pelos gregos de que a luz era produzida pelos olhos.
7.
(Enem 2018) A figura representa um prisma óptico, constituído de um material transparente, cujo índice de refração é crescente com a frequência da luz que sobre ele incide. Um feixe luminoso, composto por luzes vermelha, azul e verde, incide na face A, emerge na face B e, após ser refletido por um espelho, incide num filme para fotografia colorida, revelando três pontos.Observando os pontos luminosos revelados no filme, de baixo para cima, constatam-se as seguintes cores:
a) Vermelha, verde, azul.
b) Verde, vermelha, azul.
c) Azul, verde, vermelha.
d) Verde, azul, vermelha.
e) Azul, vermelha, verde.
8.
(Enem (Libras) 2017) No Hemisfério Sul, o solstício de verão (momento em que os raios solares incidem verticalmente sobre quem se encontra sobre o Trópico de Capricórnio) ocorre no dia 21 ou 23 de dezembro. Nessa data, o dia tem o maior período de presença de luz solar. A figura mostra a trajetórias da luz solar nas proximidades do planeta Terra quando ocorre o fenômeno ótico que possibilita que o Sol seja visto por mais tempo pelo observador.Qual é o fenômeno ótico mostrado na figura?
a) A refração da luz solar ao atravessar camadas de ar com diferentes densidades.
b) A polarização da luz solar ao incidir sobre a superfície dos oceanos.
c) A reflexão da luz solar nas camadas mais altas da ionosfera.
d) A difração da luz solar ao contornar a superfície da Terra.
e) O espalhamento da luz solar ao atravessa a atmosfera.
9.
(Enem PPL 2015) O avanço tecnológico da medicina propicia o desenvolvimento de tratamento para diversas doenças, como as relacionadas à visão. As correções que utilizam laser para o tratamento da miopia são consideradas seguras até 12 dioptrias, dependendo da espessura e curvatura da córnea.Para valores de dioptria superiores a esse, o implante de lentes intraoculares é mais indicado. Essas lentes, conhecidas como lentes fácicas (𝐿𝐹), são implantadas junto à córnea, antecedendo o cristalino (𝐶), sem que esse precise ser removido, formando a imagem correta sobre a retina (𝑅).
O comportamento de um feixe de luz incidindo no olho que possui um implante de lentes fácicas para correção do problema de visão apresentado é esquematizado por
a)
b)
c)
d)
e)
10.
(Enem 2020) Herschel, em 1880, começou a escrever sobre a condensação da luz solar no foco de uma lente e queria verificar de que maneira os raios coloridos contribuem para o aquecimento. Para isso, ele projetou sobre um anteparo o espectro solar obtido com um prisma, colocou termômetros nas diversas faixas de cores e verificou nos dados obtidos que um dos termômetros iluminados indicou um aumento de temperatura maior para uma determinada faixa de frequências.SAYURI, M.; GASPAR, M. B. Infravermelho na sala de aula.
Disponível em: www.cienciamao.usp.br. Acesso em: 15 ago. 2016 (adaptado).
Para verificar a hipótese de Herschel, um estudante montou o dispositivo apresentado na figura. Nesse aparato, cinco recipientes contendo água, à mesma temperatura inicial, e separados por um material isolante térmico e refletor são posicionados lado a lado (A, B, C, D e E) no interior de uma caixa de material isolante térmico e opaco. A luz solar, ao entrar na caixa, atravessa o prisma e incide sobre os recipientes. O estudante aguarda até que ocorra o aumento da temperatura e a afere em cada recipiente.
Em qual dos recipientes a água terá maior temperatura ao final do experimento?
a) A b) B c) C d) D e) E
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Gabaritos
Exercícios de fixação
1. C
O cristalino funciona como uma lente convergente por convergir os raios para a retina. A formação da imagem na retina pode ser classificada como real, invertida e menor que o objeto.
2. E
Analisando:
1. Falsa. O índice de refração é resultado da razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz em um meio qualquer.
2. Falsa. Na passagem do maior para o menor índice de refração, a velocidade da luz é aumentada, o que ocasiona afastamento da reta normal.
3. Verdadeira.
4. Verdadeira.
3. C
O fenômeno do eclipse ocorre graças ao princípio de propagação retilínea da luz, princípio esse que gera as regiões de sombra e penumbra.
4. D
O Eclipse lunar ocorre quando temos a Lua na região de sombra da Terra.
5. B
Fontes secundárias refletem a luz incidente. Se o objeto é percebido na cor azul, é porque ele possui a capacidade de refletir a luz dessa cor.
Exercícios de vestibulares 1. B
A estrutura do olho análoga à imagem invertida utilizada na figura é a retina. Quando a imagem é formada na retina, esta é reduzida e invertida. Ao chegar ao córtex cerebral, ela é processada.
2. E
Dentre as opções, o único cartão que não apresenta componente de tom vermelho, é o cartão azul.
3. B
De acordo com a figura, seria possível concluir que a Lua fica entre a Terra e o Sol, bloqueando os raios solares (eclipse solar) e também fica bloqueada dos raios solares pela Terra (eclipse lunar) a cada volta completa. Contudo, esses fenômenos não se dão com tal periodicidade devido à diferença entre os planos das órbitas da Terra e da Lua.
4. A
Para um objeto ser observado, é necessário que neste reflitam raios de luz e que estes cheguem aos olhos do observador.
5. D
Para diminuir a intensidade da luz verde, deve-se usar um filtro que não apresente a componente verde da luz, ou seja, o filtro magenta, composto apenas das cores vermelha e azul.
6. C
Quando o texto afirma que “isto não poderia ocorrer pelo transporte de matéria”, ele está contestando o modelo corpuscular de Newton, já que este descreve a luz como um feixe de partículas (matéria).
7. A
Pela equação v=λf, percebemos que a frequência é inversamente proporcional ao comprimento de onda. Logo:
azul verde vermelha azul verde vermelha azul verde vermelha
f f f
n n n
λ λ λ
Sendo assim, o raio de frequência azul é o que sofre maior desvio, e o de frequência vermelha, o menor.
De acordo com a figura abaixo, podemos concluir que de baixo para cima, constatam-se as cores na seguinte ordem: vermelha, verde e azul.
8. A
Na figura está evidenciado o fenômeno da refração. Quando a luz atravessa meios transparentes, mas não homogêneos, com diferentes densidades e com diferentes índices de refração, ela sofre desvios em sua trajetória.
9. B
No olho míope, a imagem de um objeto distante forma-se antes da retina. A função da lente é tornar o feixe incidente mais largo (divergente) para que, após atravessar o cristalino, o feixe convergente tenha vértice sobre a retina.
10. A
Ao passar pelo prisma a luz sofre dispersão, decompondo-se nas suas diversas frequências. As ondas de calor (infravermelho) desviam menos que o vermelho, incidindo no recipiente A, provocando maior aquecimento.
