A Óptica é o ramo da Física que tem por objetivo estudar todos os fenômenos relacionados à luz. A Óptica pode ser divida em dois tipos: óptica geométrica e óptica física, o primeiro estuda a luz como partículas e raios de luz, e o segundo estuda o comportamento ondulatório da luz.
Um dos temas mais frequentes da matéria de física na prova de Ciências da Natureza e suas tecnologias do ENEM é a Óptica. Entender esse tema é fundamental para se realizar uma boa prova do ENEM ou de outro vestibular. Pensando nisso, o Beduka preparou um artigo explicando o que é Óptica para você se preparar melhor para as questões de física.
Não deixe de conferir os exercícios sobre Óptica!
Nesse artigo vamos falar sobre:
- O que é Óptica;
- Tipos de Óptica;
- Princípios Fundamentais.
O que é Óptica?
A Óptica é o ramo da física responsável por estudar todos os fenômenos e processos relacionado à luz. Esses fenômenos são conhecidos desde os tempos antigos, há registros de aproximadamente 2000 anos a.C. de cristais de rocha eram utilizados para observar as estrelas.
História da Óptica
A partir dos estudos de Galileu Galilei, que inventou o primeiro telescópio em 1609, foi que a Óptica começou a se desenvolver de forma mais intensa. Também no século XVI, Snell Descartes chegou à Lei da Refração, que abordaremos mais à frente. Nessa época, Bradley obteve o valor da velocidade da luz, que é aproximadamente 3,08 x 108 metros por segundo.
Outras importantes contribuições para os estudos sobre Óptica foram produto do estudo de Huygens, que em 1678 apresentou a hipótese de que a luz se comportaria como uma onda. Isaac Newton também apresentou a teoria da variação do índice de refração da luz pela variação da cor, que pode ser observada na dispersão da luz ao passar por um prisma.
No século XIX a teoria de que a luz se portava somente como uma onda foi questionada, pois não explicava o efeito fotoelétrico. Albert Einstein, através da teoria de Planck, mostrou que a luz era formada por fótons, ou pequenos pacotes de energia.
A partir desse entendimento, Arthur Compton demonstrou que, quando um fóton e um elétron colidem, ambos se comportam como matéria. A partir de então, a luz passou a ser considerada como onda e como partícula, dependendo do fenômeno estudado. Essa teoria é chamada de natureza dual da luz.
Tipos de Óptica
Óptica Geométrica
Óptica geométrica é parte da óptica responsável por estudar a propagação da luz por meio dos raios e partículas de luz. Os fenômenos estudados pela óptica geométrica:
- Propagação retilínea da luz;
- Reflexão da luz;
- Difusão da luz;
- Refração da luz;
- Espelhos e lentes.
1. Propagação retilínea da Luz
Princípios Fundamentais:
- Princípio da Propagação Retilínea: a luz sempre se propaga em linha reta;
- Princípio da Independência de Raios de Luz: os raios de luz são independentes, podendo se cruzar, o que não ocasiona nenhum tipo de mudança em relação à direção seguida por eles;
- Princípio da Reversibilidade da Luz: a luz é reversível, ou seja, quando vemos alguém por meio de um espelho, por exemplo, essa pessoa também será capaz de nos ver. Desta maneira, os raios de luz sempre serão capazes de realizar o mesmo caminho na direção inversa.
Meios de Propagação
Meios transparentes: são os meios que permitem que os raios de luz passem de forma ordenada, permitindo a visualização nítida dos corpos. Exemplos: vidro polido, ar da atmosfera, etc.
Meios translúcidos: esse meios também permitem a passagem dos raios de luz. Entretanto, isso ocorre de forma desorganizada, resultando em uma imagem sem nitidez. Exemplos: vidro fosco, plástico, etc.
Meios opacos: são os meios que impedem completamente que os raios de luz passem através deles, de maneira que a visão dos corpos através deles não é possível. Exemplos: pessoas, portas de madeira, concreto, etc.
2. Reflexão da Luz
Reflexão é o fenômeno que ocorre quando a luz incide sobre um objeto ou superfície, e depois volta a se propagar no meio de origem, sofrendo mudança na direção e/ou no sentido de propagação. Se a incidência for perpendicular à superfície, há mudança apenas no sentido, pois a direção permanece a mesma.
3. Difusão da Luz (Reflexão irregular)
Quando a superfície onde um feixe de luz incide é irregular, cada pequena porção da superfície reflete a luz em uma direção. Por esse motivo, o feixe refletido não é bem definido e a luz se espalha por todas as direções. É através da difusão que pode se observar os objetos iluminados.
4. Refração da Luz
Quando um feixe de luz no ar encontra a superfície de um bloco de vidro, por exemplo, parte do feixe é refletida e outra parte é absorvida pelo vidro.
A refração da luz consiste na mudança de direção de propagação da luz ao passar por um meio transparente, exceto quando a incidência é perpendicular. Neste último caso, não há mudança na direção.
Por esse motivo, compreende-se o motivo da luz branca se decompor ao passar por um prisma. Essa luz é composta por diversas radiações de diferentes frequências que, ao passar por um prisma, sofrem uma variação distinta de velocidade e diferentes desvios, sendo separadas umas das outras.
5. Espelhos e Lentes
Espelhos planos
Um espelho plano é aquele em que a superfície de reflexão é totalmente plana. As principais propriedades de um espelho plano são a simetria entre os pontos objeto e imagem, e que a maior parte da reflexão que acontece é regular.
Espelho esférico
Um espelho esférico é qualquer calota esférica polida e que possui alto poder de reflexão.
Pode-se observar que a esfera da qual a esfera acima faz parte possui duas faces, uma interna e outra externa. Quando a superfície refletora considerada for a interna, o espelho é chamado côncavo. Já nos casos onde a face refletora é a externa, o espelho é chamado convexo.
Lentes
As lentes são dispositivos ópticos que funcionam através da refração da luz. Elas podem ser classificadas como convergentes e divergentes de acordo com o seu formato.
Lente convergente: possui a característica de convergir os raios de luz em um ponto específico. Quando eles passam pela lente, eles começam a convergir para um ponto, conhecido como foco.
Lente divergente: tem a característica de divergir os raios de luz. Quando atravessam a lente, os raios então são espalhados.
Miopia: A miopia é a dificuldade em ver objetos distantes. Quem possui esse problema vê os objetos afastados muito desfocados, e isso acontece pois a imagem forma-se antes da retina. O problema é corrigido com lentes divergentes (côncavas).
Hipermetropia: A hipermetropia é a dificuldade em ver objetos próximos. Quem sofre desse problema vê os objetos próximos desfocados, e isso acontece porque a imagem forma-se depois da retina. O problema é corrigido com lentes convergentes (convexas).
Astigmatismo: O astigmatismo acontece devido a uma forma irregular da córnea. Os raios de luz são focados em diferentes pontos e a imagem formada não é nítida. Este problema é corrigido com lentes cilíndricas.
Óptica Física
Óptica Física é a parte da Óptica responsável pelo estudo do comportamento da luz enquanto onda eletromagnética. Os fenômenos estudados por essa área são:
- Emissão de luz;
- Absorção da luz;
- Interferência da luz;
- Polarização da luz;
- Difração da luz.
1. Emissão de Luz
A luz emitida pelas fontes primárias pode ser produzida por diferentes processos. Podemos classificar os processos de emissão de luz emluminescentes e termoluminescentes.
Luminescência: são todos os processos de emissão de luz que ocorrem em razão de algum tipo de excitação que não a excitação térmica. Dentre os processos de luminescência, pode-se destacar a fotoluminescência (emissão de luz após a absorção de fótons), responsável pela fluorescência e fosforescência, bioluminescência etc.
Termoluminescência: é a emissão de luz que ocorre por conta da excitação térmica. Com o aquecimento, os átomos têm seus elétrons excitados. No processo de relaxação, esses elétrons emitem luz. Exemplo: emissões de corpo negro, como carvão aquecido em brasa.
2. Absorção da Luz
Quando a luz atravessa um meio, uma parte da energia que ela carrega é absorvida pelas partículas presentes nesse meio. Dessa maneira, a onda vai sendo reduzida conforme ela se propaga.
3. Interferência da Luz
A luz também pode se comportar como uma onda eletromagnética. A interferência é o fenômeno que consiste na sobreposição de duas ou mais ondas em um mesmo ponto. Esta interferência pode ser destrutiva, ou seja, quando a sobreposição possui um caráter de aniquilação. A interferência também pode ser construtiva, ou seja, quando a sobreposição possui um caráter de reforço.
4. Polarização da Luz
Existem algumas substâncias na natureza que, quando os feixes de luz atravessam, elas deixam passar somente uma parte da onda luminosa. Esse fenômeno é chamado de polarização da luz, pois a luz natural que antes se propagava em todos os planos, agora passa a se propagar em um único plano.
5. Difração da Luz
A difração é o fenômeno que ocorre quando os raios de luz se desviam de sua trajetória retilínea após passarem pela aresta de um objeto. Esse fenômeno ocorre quando parte da frente de onda encontra um obstáculo ou barreira.
Essa propriedade dos movimentos ondulatórios foi estudada pelo médico, físico e cientista inglês Thomas Young, no ano de 1803. Em seu experimento, Young comprovou que a luz também se comporta como uma onda e que também sofre difração ao passar por um pequeno orifício.
Thomas observou que, do outro lado desse pequeno orifício, não aparecia somente uma linha reta, mas um conjunto de várias faixas com intensidades diferentes. Dessa maneira, ele acabou demonstrando que a luz sofria o fenômeno da difração.
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