Introdução à Óptica Geométrica

Ciências da Natureza – Física

Prof.: Luiz Felipe

Introdução à Óptica Geométrica

raio de luz: linha orientada que representada a direção e o sentido de propagação da luz

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

Feixes de luz

paralelo ou cilíndrico. Exemplo: raios do Sol que atingem a Terra Conjunto de raios de luz. Os feixes podem ser classificados em:

convergente ou cônico convergente. Exemplo: feixe que emerge de uma lupa (lente convergente)

divergente ou cônico divergente. Exemplo: feixe que emerge da chama de uma vela.

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Fontes de luz

 Fonte primária ou corpo luminoso: envia a luz que ela própria produz. Fonte de luz é todo corpo do qual se pode receber luz. Pode ser:

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Bioluminescência é a emissão de luz fria e visível por organismos vivos. Ela ocorre

em variados organismos (bactérias, fungos, algas, peixes etc), principalmente no ambiente marinho. No ambiente terrestre ela ocorre em fungos, anelídeos, moluscos e principalmente nos insetos.

A bioluminescência é gerada por reações químicas altamente exotérmicas, catalisadas enzimaticamente, nas quais a energia das ligações químicas de compostos orgânicos é convertida preferencialmente em luz visível (ela ocorre nas células conhecidas como fotócitos, onde a proteína luciferina reage com a enzima luciferase).

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 Obs.: os dinoflagelados são algas protistas unicelulares, geralmente marinhos e dotados de 2 flagelos desiguais. Constituem importantes componentes dos fitoplâncton. Alguns gêneros de dinoflagelados apresentam o fenômeno de bioluminescência, que faz o brilho das águas dos oceanos no período noturno.

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 Fonte secundária ou corpo iluminado: envia a luz que recebe de outros corpos.

 Fonte puntiforme ou pontual: quando suas dimensões são desprezíveis quando comparadas às distâncias envolvidas.

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 Fonte extensa: quando suas dimensões não são desprezíveis (são consideráveis) quando comparadas às distâncias envolvidas.

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 Luz monocromática: formada por apenas uma cor. Ex.: luz verde.

 Luz policromática: formada por 2 cores ou mais (existem fontes que emitem

simultaneamente 2 ou mais tipos de luzes monocromáticas). Exemplo: luz branca emitida pelo Sol.

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

Ano-luz

A velocidade de propagação da luz no vácuo é constante e igual a c = 300 000 km/s (ou 3 . 108 _{m/s). A distância que ela percorre no vácuo durante um ano é chamada de ano-luz.} Supondo que 1 ano terrestre tenha aproximadamente 3,16 . 107_{s, então um ano-luz vale:}

8 7 15

v=

S

S

v t

.

S

3.10 .3,16.10

9, 5.10

m

t



      





 Obs.: o ano-luz também nos fornece o tempo que a luz leva, no vácuo, para percorrer a distância apresentada

o recorde do Hubble é a galáxia GN-z11, situada a 32 bilhões de anos-luz

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

Classificação dos meios

 Meio transparente: aquele em que a luz se propaga segundo trajetórias regulares. Exemplo: vidro comum, ar, água em pequenas camadas.

 Meio translúcido: aquele em que a luz se propaga segundo trajetórias irregulares, não permitindo a visualização nítida dos objetos. Exemplo: vidro fosco, papel de seda, neblina.

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 Meio opaco: aquele que não permite a propagação da luz. Exemplo: madeira.

 Obs.: a fotossíntese é um processo onde ocorre a absorção de luz.

As folhas das plantas possuem células fotossintetizadoras, que contêm clorofila e são muito sensíveis à luz. Quando a luz incide em uma molécula de clorofila, esta absorve parte da energia luminosa, que permite a reação do gás carbônico com a água, produzindo carboidratos e oxigênio.

Este é um processo em que a planta acumula energia a partir da luz para uso no seu metabolismo, formando adenosina tri-fosfato, o ATP, a moeda energética dos organismos vivos.

2 2 2 2 6 12 6

12

H O



6

CO



6

O



6

H O C H O



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A luz é uma onda eletromagnética que transporta energia e que emana dos elétrons oscilantes existentes nos átomos. Quando a luz se transmite através da matéria, alguns dos elétrons são forçados a oscilar. Dessa maneira, as oscilações do emissor são transformados em oscilações no receptor, tal como ocorre nas ondas sonoras.

 Materiais transparentes

A maneira como um material receptor responde à incidência da luz depende da frequência da própria luz e da frequência natural dos elétrons do material. Para isso, visualize os elétrons nos átomos dos materiais transparentes como se eles estivessem ligados aos núcleos por meio de molas.

As frequências naturais de oscilação de um elétron dependem de quão fortemente ele está ligado a seu átomo ou molécula. Diferentes átomos ou moléculas possuem diferentes “constantes elásticas”. Os elétrons nos átomos de vidro, por exemplo, possuem uma frequência natural de vibração que se situa na faixa do ultravioleta. Portanto, quando o ultravioleta incide sobre o vidro, ocorre a ressonância e as vibrações dos elétrons alcançam grandes amplitudes.

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A energia que um átomo de vidro recebe ou é reemitida ou transferida para seus vizinhos por meio de colisões. Os átomos ressonantes do vidro conseguem reter consigo a energia do ultravioleta por um tempo muito longo. Durante este tempo, os átomos executam muitas oscilações, colidindo com seus vizinhos e descartando a energia como calor. Assim, o vidro não é transparente ao ultravioleta.

Em frequências de ondas mais baixas, como a luz visível, os elétrons do vidro são colocados em vibração, mas com uma amplitude menor. Os átomos retém energia por menos tempo, havendo menor chance de colisão com os átomos vizinhos e menos transferência de energia na forma de calor. A energia dos elétrons oscilantes é então reemitida como luz. A frequência da luz reemitida e que passa de átomo para átomo é idêntica à frequência da luz que iniciou a oscilação. No entanto, existe um pequeno tempo de atraso entre a absorção e a emissão. Deste tempo de atraso resulta uma rapidez média mais baixa para a luz que atravessa um material transparente.

O infravermelho faz vibrar não apenas os elétrons, mas também átomos ou moléculas inteiras da estrutura do vidro. Essas vibrações aumentam a energia interna e a temperatura da estrutura, motivo pelo qual o infravermelho é conhecido como onda de calor. O vidro é transparente à luz visível, mas não ao ultravioleta e ao infravermelho.

Materiais opacos absorvem a luz sem reemiti-la. As vibrações comunicadas aos seus átomos são transformadas em energia cinética aleatória – ou seja, em energia interna, tornando-os ligeiramente mais quentes.

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A cor de um corpo

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Princípios da Óptica Geométrica

a) Princípio da propagação retilínea da luz

Nos meios homogêneos e transparentes, a luz se propaga em linha reta.

b) Princípio da independência dos raios de luz

Cada raio de luz se propaga em um meio, independentemente de qualquer outro raio.

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Uma decorrência dos princípios da Óptica Geométrica é a chamada reversibilidade da luz: A trajetória seguida pela luz não depende de seu sentido de percurso.

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Sombra

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Penumbra

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Eclipses

 Eclipse solar: quando os cones de sombra e de penumbra da Lua, determinados pelo Sol, interceptam a superfície da Terra.

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 Eclipse anular do Sol: quando é possível ver apenas a parte periférica do disco solar, uma vez que a parte central está encoberta pela Lua.

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Fases da Lua

A Lua gira em torno da Terra completando uma volta em aproximadamente 27,3 dias.

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 Obs.: a chamada lua azul ocorre quando temos duas luas cheias no mesmo mês  Obs.: a superlua ocorre quando a Lua está em seu perigeu na fase de lua cheia

fica aparentemente 14% maior e 30% mais brilhante

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A Lua possui a chamada rotação sincronizada. Seu período de translação (revolução) é igual ao período de rotação. Como consequência desse fato, existe um lado da Lua que não é visto de nenhum ponto da Terra.

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Câmara escura de orifício

Uma caixa de paredes opacas com um pequeno orifício.