Princípios da óptica geométrica I
Antes de iniciar seus estudos, reflita sobre as questões abaixo, forme suas opiniões e confronte-as com a teoria apresentada em seguida. Suas ideias e sugestões são muito importantes para enriquecer nosso ensino e o seu aprendizado. 1) Um raio de luz pode ser curvo? 2) Qual a temperatura da superfície do Sol? 3) Para enxergar-se no espelho de um quarto totalmente escuro, para onde você dirigiria o feixe de luz de uma lanterna? 4) O que é um pincel de luz? 5) O que significa translúcido? 6) O cérebro é um órgão de visão? |
1. A Física e o cotidiano
A construção de um modelo correto para a visão dos objetos que nos rodeiam depende da refutação, ou destruição, de mitos criados pelo senso comum.
| Mito a ser destruído | Exemplos de como o mito é reforçado | Argumento que derruba o mito | |
| Mito1 - Os olhos emitem raios luminosos que permitem a visão. | Frases do tipo: “Seus olhos faiscavam..." “Seu olho gordo me atingiu."O “Superman" emite raios x para a visão através dos corpos. | Tente ler um livro num quarto escuro. Você perceberá que os olhos não emitem luz. |
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| Os olhos não emitem luz |
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| Livro |
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| Espelho |
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| Emitir luz própria |
2. A Física e o mundo
Guia ilustrado para feixes de luz, fontes luminosas
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Sol, a mais importante fonte primária de luz para
a Terra |
Vocábulos e expressões da língua inglesa GEOMETRICAL OPTICS: This area of optical science concerns the application of laws of reflection and refraction of light. VISION: Physiological power of sight. Many simple organisms have light receptors and can thus react to motion and shadows, but true vison envolves the formation of images in the brain. Vision mainly concerned with the color, form, distance and tridimensional extension of objects. |
3. A Física e o laboratório
| Meio transparente |
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Exemplos: ar, água em pequenas camadas, vidro hialino etc. |
| Meio translúcido |
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Exemplos: vidro fosco,
papel de seda, nevoeiro, uma lâmina extremamente fina etc. |
| Meio opaco |
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Exemplo: madeira,
concreto, chapas metálicas espessas etc. |
4. A Física e a evolução de seus conceitos
Introdução
Conceitua-se luz como um agente físico capaz de sensibilizar nossos órgãos visuais.
A óptica geométrica estuda os fenômenos que são explicados sem que seja necessário conhecer a natureza do agente físico luz. A propagação retilínea, a reflexão e a refração são fenômenos estudados pela óptica geométrica. Este estudo é feito a partir da noção de raio de luz, de princípios que regem o comportamento dos raios de luz e de conhecimentos de geometria plana.
Raios de luz
São linhas orientadas que representam, graficamente, a direção e o sentido de propagação da luz.
Conforme o meio em que se propaga, o raio de luz pode ser retilíneo ou curvilíneo.
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Eclipse do Sol |
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Arco-íris |
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Olho humano |
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Telescópio Hubble |
O estudo da óptica geométrica possibilita o entendimento de fenômenos do cotidiano e a construção de complexos aparatos tecnológicos.
Feixe de luz
É um conjunto de raios de luz. Os feixes de luz são classificados como:
Cônico divergente
| Os raios de luz divergem a partir de um ponto P. O ponto P é o vértice do feixe. |
Cônico convergente
| Os raios de luz convergem para um único ponto P. |
Cilíndrico
| Os raios de luz são todos paralelos entre si. Neste caso, dizemos que o vértice P é impróprio. |
Fontes de luz
São os corpos capazes de emitir luz. As fontes de luz são classificadas em:
Fontes primárias
São aquelas que emitem luz própria, isto é, emitem a luz que produzem.
Exemplos
Sol, lâmpadas elétricas quando acesas etc.
As fontes primárias admitem ainda uma subdivisão:
Fontes incandescentes
São aquelas que emitem luz em decorrência da sua elevada temperatura (em geral acima de 500°C).
Exemplos
O Sol, cuja temperatura em sua superfície é da ordem de 6000°C; as lâmpadas incandescentes, cujo filamento atinge temperatura superior a 2000°C.
Fontes luminescentes
São aquelas que emitem luz em temperaturas relativamente baixas.
Exemplos
Lâmpadas fluorescentes; substâncias fosforescentes.
As fontes luminescentes podem ser de dois tipos:
a) Fluorescentes
Emitem luz quando se encontram sob ação da causa excitadora da emissão. É o caso das lâmpadas fluorescentes.
b) Fosforescentes
Emitem luz por algum tempo mesmo quando cessa a causa excitadora da emissão. É o caso das substâncias fosforescentes dos mostradores de relógios e de interruptores, que permitem a visão no escuro.
Fontes secundárias
São aquelas que reenviam ao espaço a luz que recebem de outros corpos.
Exemplos
A Lua, as paredes, nossas roupas.
5. Classificação dos meios
Meio Transparente
Um meio se diz transparente quando permite a propagação da luz através de si, segundo trajetórias regulares, permitindo a visão nítida dos objetos.
Exemplos: Ar, água em pequenas camadas, vidro comum etc.
Meio translúcido
Um meio se diz translúcido quando permite a propagação da luz através de si, segundo trajetórias irregulares, de modo a não permitir a visão nítida dos objetos.
Exemplos: Vidro fosco, papel de seda, papel vegetal etc.
Meio opaco
Um meio se diz opaco quando não permite a propagação da luz através de si.
Exemplos
Madeira, concreto etc
Meio homogêneo
Um meio é homogêneo quando todos os seus pontos apresentam as mesmas propriedades, isto é, mesma composição química, mesma densidade etc.
Meio isótropo
Um meio é isótropo quando as propriedades físicas associadas a um ponto do meio independem da direção em que são medidas. Quando o meio não é isótropo, ele é chama do anisótropo.
Um meio transparente, homogêneo e isótropo é chamado meio ordinário ou refringente.
3000 a. C.: Invenção da vela, no Egito.
1000 a. C.: Registros de operações de cata rata que devolveram a visão para ricos e escravos em Babilônia e na Índia. Apesar disso, os cirurgiões não perceberam a ligação entre o cérebro e os olhos. 600 a. C.: Os gregos formulam a teoria da emanação: os olhos emitem raios de luz que, como tentáculos, tateiam os objetos para permitir a visão. A teoria da emanação é combatida por Epicuro, com uma teoria corpuscular: os objetos emitem átomos que carregam a forma e um subátomo, com a cor, para impressionar nossos olhos.
500 a. C.: Aristóteles afirma que a luz provém exclusivamente do fogo. Euclides defende a teoria da emanação e Platão faz a junção das teorias: os olhos emitem raios e os corpos emitem átomos de forma e cor que se encontram no espaço (a visão é um processo externo ao corpo). Aristóteles faz a pergunta crítica fundamental: “se os olhos emitem luz, por que não enxergamos no escuro?"
1500: Leonardo da Vinci estabelece a relação entre o olho e o cérebro em seus estudos de anatomia.
1625: Christopher Scheiner, padre jesuíta, retira olhos de mamíferos que acabaram de morrer e verifica que as imagens do momento final não ficam impregnadas no olho. Ele retira o fundo do globo ocular e o considera uma simples tela de projeção. O olho é reduzido à condição de mero captador de formas e cores. O cérebro, na verdade, é o centro da visão.
1666: Newton faz as experiências críticas para mostrar que os objetos são vistos quando refletem luz de fontes primárias para os olhos.
1879: Invenção da lâmpada elétrica (Edison).
Século XX: Estudos sobre a luminescência mostram que a incandescência não é a única forma de produzir luz, como supunha Aristóteles. |
Exercícios propostos
1. Classifique as seguintes fontes de luz:
a) Lâmpada de filamento (acesa):
b) Estrela-d’alva (planeta Vênus):
c) Mostrador de um relógio analógico que brilha no escuro:
2. Cite dois exemplos dos seguintes meios:
a) Transparente;
b) Translúcido;
c) Opaco.
Meios de propagação da luz |
FIGURAS |
3. 
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 óptica, 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.
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Zewail, A. H. Micrographia of
twenty-first century: from camera obscure to 4D microscopy. Philosophical Transactions of the Royal Society A
v. 368, 2010 (adaptado) |
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.
4. (PASUSP-MODELO ENEM) – A Lua, em sua órbita ao redor da Terra, passa por um ciclo de fases, durante o qual sua forma parece variar gradualmente. Esse fato decorre de a Lua não ser um corpo luminoso, mas sim um corpo iluminado pelo Sol. A face iluminada da Lua é aquela que está voltada para o Sol. Na representação a seguir, a visão do sistema Terra-Lua é registrada, em diferentes instantes de tempo, por um observador muito afastado da Terra, olhando diretamente para o Polo Sul do planeta.
A fase da lua representa o quanto dessa face, iluminada pelo Sol, está também voltada para um observador sobre a Terra. As quatro fases mais características do ciclo recebem as seguintes denominações:
Com base nas informações contidas no texto e na figura, pode-se afirmar que as formas aparentes da Lua, nas posições 1, 2, 3 e 4, para um observador situado no Hemisfério Sul da Terra, são, respectivamente, as seguintes:
a) 
b) 
c) 
d) 
e) 
Gabarito
1. RESOLUÇÃO:
a) Lâmpada de filamento (acesa): primária incandescente.
b) Estrela-d’alva (planeta Vênus): secundária.
c) Mostrador de um relógio analógico que brilha no escuro: primária luminescente fosforescente.
2. RESOLUÇÃO:
a) Vidro de automóvel – Vidro de vitrinas comerciais
b) Vidro canelado – Papel vegetal
c) Madeira – Parede de tijolos de barro
3. RESOLUÇÃO:
As figuras abaixo estabelecem uma analogia entre a câmara escura e o olho humano, em que o tecido corresponde à retina.
Resposta: B
4. RESOLUÇÃO:
I) Um observador no Hemisfério Sul da Terra, olhando a Lua na posição 1, enxerga à sua esquerda a face obscurecida do satélite, o que indica, conforme o enunciado, quarto minguante.
II) Na posição 2, a Lua apresenta para a Terra sua face obscurecida. Logo, é Lua Nova.
III) Um observador no Hemisfério Sul da Terra, olhando a Lua na posição 3, enxerga à sua esquerda a face iluminada do satélite, o que indica, conforme o enunciado, quarto crescente.
IV) Na posição 4, a Lua apresenta para a Terra sua face iluminada. Logo, é Lua Cheia.
Resposta: C
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