FENOMENOS LUMINOSOS - FISICA | POR VIEIRA MIGUEL MANUEL

INTRODUÇÃO

Óptica é a parte da Física que estuda a luz e os fenómenos luminosos. Seu desenvolvimento se deu a partir da publicação da Teoria Corpuscular da Luz, por Isaac Newton, teoria que admitia que a luz era formada por um feixe de partículas. A Luz é uma onda electromagnética e sua velocidade no vácuo é de aproximadamente 3,0 x 105.

A óptica explica os fenómenos da reflexão, refracção e difracção, que veremos a seguir, assim como a óptica geométrica e a visão humana.

REFLEXÃO DA LUZ

Reflexão é um fenômeno físico no qual ocorre a mudança da direção de propagação da luz (desde que o ângulo de incidência não seja de 90°). Ou seja, consiste no retorno dos feixes de luz incidentes em direção à região de onde ela veio, após os mesmos entrarem em contato com uma determinada superfície refletora. O Espelho (do latim speculum ) é uma superfície que reflete um raio luminoso em uma direção definida, e possui o tipo plano e o esférico.

ESPELHO PLANO

O espelho plano se caracteriza por apresentar uma superfície plana e polida, onde a luz que é incidida reflete de forma regular. Para obter um bom grau de reflexão, é necessário que a variação do poder refletor com o ângulo de incidência do espelho seja a menor possível. O exemplo mais comum de espelho plano é o vidro, que permite a formação de imagens nítidas.

Quando estendemos o braço direito, por exemplo, na frente de um espelho, a imagem refletida estenderá o braço esquerdo, ou seja, refletindo ao contrário. Esse fenômeno é chamado de enantiomorfismo e é uma das características da reflexão de imagens em espelhos planos.

Características:

- enantiomorfismo

- a imagem refletida tem o mesmo tamanho do objeto;

- cada objeto corresponde a uma imagem;

- imagem e objeto não se sobrepõem.

Ainda podemos afirmar que no caso dos espelhos planos, o raio incidente, o raio refletido e a normal à superfície se situam no mesmo plano e o ângulo de reflexão e o de incidência possuem a mesma medida.

ESPELHO ESFÉRICO

Com grande aplicação no dia a dia, o espelho esférico é uma calota esférica que possui uma de suas partes polida e com alto poder de reflexão. Esse espelho pode ser classificado de acordo com a superfície refletora. Se essa for interna, o espelho é côncavo; e se a superfície refletora é a externa, o espelho é convexo. Podemos representar essas duas classificações de espelhos esféricos da seguinte forma:

Os espelhos esféricos, tanto côncavos quanto convexos, são muito utilizados em nosso cotidiano. Nos estojos de maquiagem, nos refletores atrás das lâmpadas de sistema de iluminação e projeção (lanternas e faróis, por exemplo), nas objetivas de telescópios, etc., são utilizados os espelhos esféricos côncavos. Já os espelhos esféricos convexos são utilizados, por exemplo, em retrovisores de automóveis.

As imagens fornecidas por esses espelhos são sensivelmente distorcidas em relação aos objetos correspondentes. Essas distorções são chamadas de aberrações de esfericidade.

Características:

a) espelho côncavo

b) espelho convexo

C é o centro de curvatura;

R é o raio da curvatura do espelho;

CV é o eixo principal do espelho;

F é o foco do espelho;

V é o vértice do espelho.

Como se percebe, as características descritas acima se aplicam tanto a espelhos côncavos quanto a espelhos convexos.

REFRAÇÃO DA LUZ

A refração é o fenômeno que ocorre com a luz quando ela passar de um meio homogêneo e transparente para outro meio também homogêneo e transparente, porém diferente do primeiro. Nessa mudança de meio, podem ocorrer mudanças na velocidade de propagação e na direção de propagação.

LENTES

Lente é um elemento que atua por refração, introduzindo descontinuidades no meio em que a luz se propaga inicialmente, e que reconfigura a distribuição da energia transmitida, independente da frequência da luz, isto é, tanto no ultravioleta como no domínio óptico, infravermelho, micro-ondas, ondas, rádio ou mesmo ondas acústicas. A forma da lente irá depender do tipo de reformatação da onda luminosa que se deseja.

A lente esférica é muito usada em nosso quotidiano, sendo que a encontramos em diversos equipamentos, como nos óculos, nas câmeras fotográficas, nos projetores de imagem, na lupa, na luneta etc. A lente é usada basicamente para formar imagens de diferentes objetos.

LENTES ESFÉRICAS DIVERGENTES

Em uma lente esférica com comportamento divergente, a luz que incide paralelamente entre si é refratada, tomando direções que divergem a partir de um único ponto. Tanto lentes de bordas espessas como de bordas finas podem ser divergentes, dependendo do seu índice de refração em relação ao do meio externo.

O caso mais comum é o que a lente tem índice de refração maior que o índice de refração do meio externo. Nesse caso, um exemplo de lente com comportamento divergente é o de uma lente bicôncava (com bordas espessas):

Já o caso menos comum ocorre quando a lente tem menor índice de refração que o meio. Nesse caso, um exemplo de lente com comportamento divergente é o de uma lente biconvexa (com bordas finas):

Características:

São mais espessas nas bordas do que no centro. Quando atingidas por raios paralelos, elas os fazem divergir, ou seja, abrir-se como um leque. As lentes de óculos para miopia, assim como os olhos-mágicos instalados nas portas, são lentes divergentes.

LENTES ESFÉRICAS CONVERGENTES

Em uma lente esférica com comportamento convergente, a luz que incide paralelamente entre si é refratada, tomando direções que convergem a um único ponto. Tanto lentes de bordas finas [delgadas] como de bordas espessas [grossas] podem ser convergentes, dependendo do seu índice de refração em relação ao do meio externo.

O caso mais comum é o que a lente tem índice de refração maior que o índice de refração do meio externo. Nesse caso, um exemplo de lente com comportamento convergente é o de uma lente biconvexa (com bordas finas):

Já o caso menos comum ocorre quando a lente tem menor índice de refração que o meio. Nesse caso, um exemplo de lente com comportamento convergente é o de uma lente bicôncava (com bordas espessas):

Características:

São mais espessas no centro do que nas bordas. São assim chamadas porque fazem convergir para um ponto os raios luminosos paralelos que as atravessam. São convergentes as lupas e as lentes de óculos para hipermetropia.

ÓPTICA GEOMÉTRICA

Estuda os fenômenos luminosos baseados em leis experimentais, que são explicados sem que haja necessidade de se conhecer a natureza física da luz. Usa como ferramenta de estudo a geometria.

Princípios da Óptica Geométrica

- Lei da Propagação Retilínea da Luz

Nos meios homogêneos e transparentes - luz se propaga em linha reta

- Lei da Independência dos Raios Luminosos

Raios luminosos se cruzam - cada um deles segue seu trajeto como se os outros não existissem.

RAIOS DE LUZ

Linhas que representam a direcção e o sentido de propagação da luz.

Pincel Luminoso - é um conjunto de raios de luz, que possui uma abertura relativamente pequena entre os raios.

Feixe Luminoso – é o conjunto de raios luminosos, cuja abertura entre os raios é relativamente grande.

Os Feixes e Pincéis Luminosos podem ser classificados em:

• Cónico divergente

Os raios luminosos partem de um único ponto (P) e se espalham.

• Cónico convergente

Os raios luminosos se concentram em um único ponto.

• Cilíndrico

Os raios luminosos são todos paralelos entre si. Nesse caso a fonte de luz encontra-se no infinito, e denomina-se fonte imprópria.

Fontes de Luz

São corpos capazes de emitir luz, seja ela própria ou refletida. São classificadas em:

• Fontes de luz Primárias - emitem luz própria. Elas podem ser:

- Incandescentes: emitem luz a altas temperaturas.

Ex: O Sol, a chama de uma vela e as lâmpadas de filamento.

- Luminescentes: Quando emitem luz a baixas temperaturas. As fontes de luz primária luminescentes poder ser fluorescentes ou fosforescentes.

- Fluorescentes: emitem luz apenas enquanto durar a acção do agente excitador.

Ex: Lâmpadas fluorescentes.

- Fosforescentes: emitem luz por um certo tempo, mesmo após ter cessado a acção do excitador. Nessas fontes de luz a energia radiante provém de uma energia potencial química.

Ex: Interruptores de lâmpadas e ponteiros luminosos de relógios.

• Fontes Secundárias - emitem apenas a luz recebida de outros corpos.

Ex: Lua, cadeiras, roupas, etc.

Eclipses

É um fenómeno que se pode observar da Terra que tem origem através da formação da sombra e penumbra. Envolve o Sol, a Lua e a Terra, podendo se manifestar de duas formas, eclipse solar e eclipse lunar.

- Eclipse Solar: sombra e penumbra da Lua são projectadas na superfície da Terra e isso dará origem ao eclipse, que pode ser total ou parcial. O eclipse será total para observadores que estiverem na região da sombra e parcial para observadores que estiverem na região de penumbra.

- Eclipse Lunar: a luz solar quando tangencia a Terra faz com que uma sombra seja formada na parte de trás da Terra, denominada sombra da Terra. Quando a lua entra nessa região, os observadores na Terra não conseguem mais enxergá-la, dizemos então que ocorreu um eclipse lunar.

Sombras e Penumbras

São evidências da propagação rectilínea da luz e explicadas de forma simples e objectiva pela óptica geométrica, que é um ramo da física que estuda os fenómenos luminosos e suas aplicações. O princípio da propagação rectilínea da luz diz que em um meio homogéneo e transparente, como o ar, a luz se propaga em linha recta. Uma das consequências ou aplicações desse comportamento da luz é a formação de sombra e penumbra, que se dá quando a luz encontra em seu caminho um objecto opaco (todo objecto que não permite a propagação da luz através de si).

O que determinará a formação de sombra ou penumbra será o tipo de fonte de luz, que pode ser uma fonte pontual ou extensa, vamos distinguir os dois casos:

- Fonte pontual (fonte de luz com dimensões pequenas em relação ao que vai iluminar):

Na figura 1, temos uma fonte pontual F e uma esfera opaca E.

Uma fonte pontual F emite luz em todas as direcções. A esfera opaca E não permite que a luz se propague e dessa forma os raios luminosos não atingem a região atrás da esfera. Essa região não iluminada é denominada sombra.

Observe que a fonte F é pequena quando comparada às dimensões da esfera E, por isso dizemos que ela é uma fonte pontual ou puntiforme. Observando a figura, nota-se que sombra é uma região onde há ausência de luz e ocorre quando a fonte luminosa é pontual.

- Fonte extensa (fonte de luz com dimensões consideráveis em relação ao que vai iluminar):

Agora considere na figura 2 uma fonte de luz F extensa.

Com a fonte de luz extensa, pode-se observar na figura que existe uma região atrás do objecto opaco que recebe uma pequena intensidade de luz da fonte, não sendo totalmente escura, esta é denominada penumbra.

Logo, penumbra é uma região parcialmente iluminada e ocorre quando se tem uma fonte de luz extensa. A fonte de luz e a esfera têm dimensões semelhantes e são quase do mesmo tamanho. Por isso, diz-se que a fonte é extensa.

VISÃO HUMANA

  Partes do Olho:

Cristalino: parte frontal do olho que funciona como uma lente convergente, do tipo biconvexa. Pupila: controla a quantidade de luz que penetra no olho. Retina: é a parte sensível à luz, onde são projectadas as imagens formadas pelo cristalino e enviadas ao cérebro. Músculos ciliares: comprimem convenientemente o cristalino, alterando a distância focal.

Anomalias e suas correcções:

Miopia: consiste em um alongamento do globo ocular.

Nesse caso há um afastamento da retina em relação ao cristalino, fazendo que a imagem seja formada antes da retina, tornando-a não nítida. Para o míope, o ponto próximo, que é o ponto onde a imagem é nítida, está a uma distância finita, maior ou menor, conforme o grau da miopia. O míope tem grandes dificuldades de enxergar objectos distantes.

Correcção: feita comummente com a utilização de lentes divergentes. Ela fornece, de um objecto impróprio (objecto no infinito), uma imagem virtual no ponto remoto do olho. Essa imagem se comporta como objecto para o cristalino, produzindo uma imagem final real exactamente sobre a retina.

À Esquerda, esquema do olho míope. À direita, visão do míope.

 Hipermetropia: é um defeito oposto à miopia, ou seja, aqui existe uma diminuição do globo ocular. Nesse caso a imagem de objectos próximos é formada além da retina, fazendo aquelas imagens não sejam formadas com nitidez.

Correcção: através da utilização de uma lente convergente. Tal lente convergente deve fornecer, de um objecto real, situado em um ponto próximo do olho, uma imagem que se comporta como objecto real para o olho, dando uma imagem final nítida.

À esquerda, esquema do olho do Hipermétrope. À direita, a visão do hipermétrope

 Astigmatismo: as superfícies que compõem o globo ocular apresentam diferentes raios de curvatura, ocasionando uma falta de simetria de revolução em torno do eixo óptico.

Correcção: é feita com a utilização de lentes cilíndricas capazes de compensar tais diferenças entre os raios de curvatura.

Visão com astigmatismo

Presbiopia: semelhante à hipermetropia, que ocorre com o envelhecimento da pessoa, ocasionando o relaxamento dos músculos.

Porém, se a acomodação muscular for muito grande, o presbíope também terá problemas de visão a longa distância, uma vez que com a aproximação do ponto remoto, o problema se torna semelhante ao da miopia.

Correcção: utilização de lentes bifocais (convergentes e divergentes).

Estrabismo: desvio do eixo óptico do globo ocular.

Correcção: é feita com o uso de lentes prismáticas.

CONCLUSÃO

Como vimos, a óptica está muito presente no nosso quotidiano, e sempre fazemos uso de suas leis e propriedades, mesmo não percebendo, como quando dirigimos e usamos o espelho retrovisor, ou quando nos maquiamos pela manhã, quando procuramos um oftalmologista para analisar um desconforto na visão, quando observamos os famosos eclipses, quando usamos um binóculo ou um microscópio e etc.

Por isso é importante aprender a óptica, para que entendamos mais sobre o meio que nos cerca e compreender sobre os “mistérios” da física, que por esforço de estudiosos, há muitos anos, deixaram de ser mistérios, e passaram a se chamar óptica.

REFERÊNCIAS

CAVALCANTE, Kléber. Óptica Geométrica. Disponível em Acesso em: 13 out. 2013

AUGUSTO, Nathan. Sombras. Disponível em Acesso em 12 out. 2013

CAVALCANTE, Kléber. Anomalias da visão. Disponível em Acesso em 11 out. 2013

HALLIDAY, RESNICK & WALKER, Fundamentos de Física, vol. 4, 8ª edição. Espelhos. Disponível em Acesso em 12 out. 2013

ALMEIDA, Frederico. Espelhos. Disponível em Acesso 10 out. 2013

Autor não identificado. Reflexão da Luz. Disponível em Acesso 11 out. 2013