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A LUZ – Propriedades e Características

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by

Alexandra Filipa

on 9 June 2014

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A LUZ – Propriedades e Características
Indice
A Luz
Características da Luz
Leis da reflexão
Difração de Fraunhofer
Difração de Fresnez
Lentes
Lentes delgadas
Construção de imagens
Espelho plano
Espelho esférico
O que se deve saber

1.Um pouco de História: a Ciência e a Luz
Luz é um fenômeno que intriga cientistas há muito tempo, e mesmo hoje em dia não há
um consenso sobre sua verdadeira natureza. Os próprios gregos já haviam indagado a respeito,
chegando a duas conclusões, por vezes conflitantes, que dividiam as opiniões dos estudiosos: uns
acreditavam que todo objeto visível emitia uma torrente constante de partículas luminosas, que
eram captadas por nossos olhos. Outros ainda acreditavam sair dos nossos olhos uma onda
vibratória que atingia os objetos e tornava-os visíveis.
Apesar das teorias pareceram estranhas e ingênuas, elas foram especuladas praticamente
sem nenhum conhecimento científico, apenas com base filosófica, e ambas geraram idéias sobre
a luz que mantiveram os cientistas ocupados por muito tempo, pois da concepção grega
decorrem as duas principais teorias sobre a luz durante a história da humanidade, a teoria das
partículas e a teoria das ondas.
As partículas propagavam-se como gotas saindo de uma mangueira, e as ondas, como uma pedra atirada na água. Durante toda a história as teorias alternavam a preferência dos
cientistas, e incrivelmente, hoje sabemos que ambas são parcialmente verdadeiras.
A primeira descoberta importante surgiu ainda na Grécia com Heron, de Alexandria, que,
seguinte lei: o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.
fazendo experiências com espelhos, descobriu que a luz caminha em linha reta, o que levou à seguinte lei: o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.
Foi somente em 1621 que o matemático Wilbord Snell explicou o fenômeno, dizendo que ao penetrar num novo meio, os raios mudam de direção em função da variação de velocidade da luz nos diferentes meios por onde passa. Mas isso não contradiz a lei formulada por Heron? Snell contorna o aparente paradoxo, explicando que a luz continua em linha reta depois de atravessar o novo meio.
Snell mediu então o desvio em vários meios como água, ar, vidro, e constatou que o desvio variava de acordo com o meio.
A esse fenômeno ele chamou REFRAÇÃO.
O ângulo de refração varia também com o ângulo de incidência. Se o raio incidir num
ângulo de 90o , não há desvio nenhum, uma parte é refletida e outra é transmitida na mesma direção.
Em 1678, Christian Huygens sugeriu que o índice de refração é determinado pela velocidade que a luz atravessa o meio. Ele pensava que a luz era um movimento ondulatório, e se estivesse certo, o índice de refração seria maior quanto menor fosse a velocidade com a qual a luz penetrasse no meio. Mas se fosse partícula, acorreria o posto, ou seja, num meio mais denso, a velocidade seria maior, porque as partículas seriam atraídas pelas moléculas. Mas não havia tecnologia disponível para medir a velocidade da luz com precisão, de maneira que permaneceu a dúvida quanto à natureza do fenômeno luminoso, embora Huygens estivesse certo quanto à refração ser decorrente da alteração de velocidade.
Mas a comunidade científica era incapaz, como
ainda é em muitos casos, de aceitar uma idéia que lhes
pareça absurda, como esta da dupla natureza da luz. Assim,
a vitória da teoria ondulatória foi quase total com o cientista
italiano Francesco Grimaldi, contemporâneo de Newton,
que, ao estudar a formação de sombras, verificou que elas
nunca apresentavam contornos nítidos, chamando este fenômeno de DIFRAÇÃO.
Características da Luz
Podemos então enumerar algumas características da luz, descobertas ao longo destes milênios de estudos sobre a sua natureza. A maior parte daquilo que utilizamos no cinema e na fotografia vem das propriedades ondulatórias da luz, e não propriamente das características quânticas ou corpusculares. Vamos a elas:
1) A luz visível é apenas uma ínfima parte do espectro eletromagnético. Isso significa que diversas outras freqüências, como as mais próximas, o infra-vermelho e o ultra-violeta, apesar de não se fazer visíveis, por vezes alteram cor e contraste na imagem. Por isso é recomendável a utilização de filtros durante filmagens exteriores com luz do sol.
2) A luz, tendo massa, pode alterar qualitativamente uma estrutura qualquer. Isso significa que a luz não é apenas um estado energético, é uma entidade híbrida que combina matéria e energia de uma forma ainda desconhecida. Tudo que sabemos sobre isso é que a luz é capaz de transportar uma informação.
3) A luz segue os seguintes princípios: Ao ser emitida sobre um objeto qualquer, ocorrerá :
a) Reflexão, se o objeto for opaco, e poderá ser especular ou difusa. Se for especular, o ângulo de incidência será igual ao ângulo de reflexão. Se for difusa, os raios divergirão em várias direções.
b) Absorção, em quase todos os casos,
principalmente se o objeto for preto, e aí todos os comprimentos de onda serão absorvidos, e transformados em calor. Todos os objetos opacos, translúcidos ou mesmo transparentes, absorvem e refletem alguma quantidade de luz. Quanto mais ele absorve,
mais escuro é o objeto, e quanto mais reflete, mais claro.
c) Transmissão ocorre num meio translúcido ou transparente, como o vidro, por
exemplo. Sempre alguma luz, por mínima que seja, é refletida, ou então nem veríamos os
objetos. Mas como deixam passar a maior quantidade de luz por eles, são chamados
transparentes. Translúcidos serão aqueles que deixam passar a luz, também em grande
quantidade, mas cuja transmissão sofre perdas e desvios significativos dos raios,
dispersando a luz e tornando-a difusa.
Se o meio tiver uma cor, todas as demais serão barradas por ele, só deixando
passar a freqüência correspondente à mesma cor do meio.
Leis da reflexão
Para enunciá-las, é preciso antes definir alguns conceitos.Se a superfície refletora é muito lisa, a reflexão de luz que ocorre é chamada de reflexão especular ou regular. A reflexão é explicada através de duas leis, de conhecimento geral.
A normal é a semi-reta perpendicular a superfície reflectora.
Ângulo de incidência é o ângulo formado entre o feixe de luz que incide sobre o objeto e a normal.
Ângulo de reflexão é o ângulo que a direção de um feixe de luz refletida faz com a normal.
As duas leis da reflexão são expressas da seguinte maneira:
O raio incidente, a reta normal e o raio refletido são coplanares, ou seja estão no mesmo plano.
O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.

Difração de Fraunhofer

É o tipo de difração mais simples. Pode-se dizer que este tipo de difração é aquela em que a onda difratada é plana (pelo menos aproximadamente, na pressão de precisão observado) e exige um tratamento matemático mais simples.

Difração de Fresnez
É o tipo de difração cujo tratamento matemático é mais complexo. Nesse caso, a onda que se desloca não é plana. Para se calcular a distribuição da intensidade da luz difratada em função do ângulo de espalhamento é comum se usar da espiral de Cornu.
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.
Segundo Isaac Newton, “os raios homogêneos que partem de vários pontos de qualquer objeto e incidem perpendicularmente ou quase perpendicularmente sobre qualquer plano refletor ou refrator ou superfície esférica divergem depois disso de tantos outros pontos ou são paralelos a tantas outras retas ou convergem para tantos outros pontos com precisão ou sem erro notável. E o mesmo acontece se os raios são refletidos ou refratados sucessivamente por dois ou três ou mais superfícies esféricas planas ou esféricas.
Existem 6 tipos de lentes delgadas compatíveis com essa definição: a)biconvexa;
b)plano-convexa;
c)côncavo-convexa;
d)bicôncava;
e)plano-côncava;
f)convexo-côncava.


Lentes delgadas
As lentes podem ter uma grande variedade de formas. Uma lente é normalmente um sistema óptico constituído por dois ou mais dioptros um dos quais pelo menos é curvo. As superfícies não planas tem os respectivos centros de curvatura sobre um eixo comum. São quase sempre esféricas e frequentemente revestidas de filmes dielétricos que permitem controlar a sua transmissão.
Uma lente constituída por um só elemento (dois dioptros) é uma lente simples. Uma lente composta é constituída por vários elementos (dioptros).
As lentes podem ser classificadas de acordo com a sua espessura, sendo as convexas, convergentes ou positivas as lentes mais espessas no centro e que tendem a fazer diminuir o raio de curvatura das frentes de onda incidentes (pressupondo-se que o índice da lente é superior ao do meio em que esta se encontra).


Aqui três coisas são importantes: objetos, lentes, imagens. As lentes podem fazer com que os objetos tenham algumas características diferentes dos objetos que a geraram.
Para entender quais as características de uma imagem gerada por uma lente, deve-se conhecer o comportamento de alguns raios de luz, que serão chamados de principais.
Raios principais para lentes convergentes
Um raio de luz que se propaga paralelamente ao eixo principal da lente, sofre refração passando pelo foco da imagem.
Um raio de luz que se propaga pelo foco objeto da lente, sofre refração saindo paralelamente ao eixo principal da lente.
Um raio de luz que incide sobre seu próprio centro óptico, irá refratar sem sofrer desvio algum.
Raios principais para lentes divergentes
Um raio de luz que se propaga paralelamente ao eixo principal da lente sofre refração, e o prolongamento do raio refratado vai passar sempre pelo foco da imagem.
Um raio de luz que se propaga de tal forma que o seu prolongamento passe pelo Fo, irá refratar paralelamente ao eixo principal da lente.
Um raio de luz que incide sobre o seu centro óptico, irá refratar sem sofrer desvio algum.
Ao apresentar as características das lentes foi considerado o princípio de construção da imagem de um ponto luminoso no foco da lente. Raios incidem sobre a lente na esquerda, passam para trás pelo foco, refletindo no lado direito - através do ponto focal da frente.
Espelho plano
Em um espelho plano comum, vemos nossa imagem com a mesma forma e tamanho, que parece encontrar-se atrás do espelho. Essa imagem é enantiomorfa, e se encontra à mesma distância do objeto ao espelho. No caso de um espelho plano a distância da imagem, i, é sempre igual em módulo a distância do objeto, p.
Os raios que partem de um objeto, diante de um espelho plano, refletem-se no espelho e atingem nossos olhos. Assim, recebemos raios luminosos que descreveram uma trajetória angular e temos a impressão de que são provenientes de um objeto atrás do espelho, em linha reta, isto é, mentalmente prolongamos os raios refletidos, em sentido oposto, para trás do espelho.
Espelho esférico
Espelhos esféricos tem a forma de uma pequena seção da superfície de uma esfera. Na verdade, um espelho plano pode ser considerado um espelho esférico com um raio de curvatura infinito.
O centro de curvatura C (ocentro da esfera a qual pertence a superfície do espelho) estava a uma distância infinita no caso do espelho plano; agora está mais próximo, a frente do espelho;
O campo de visão (a extensão da cena vista pelo observador) diminui em relação ao espelho plano;
A distância da imagem aumenta em relação ao espelho plano;
O tamanho da imagem aumenta em relação ao espelho plano. 7
Para fazer um espelho convexo encurvamos para fora a superfície do espelho, causando as seguintes modificações no espelho e na imagem:
O centro de curvatura agora está atrás do espelho;
O campo de visão aumenta em relação ao espelho plano;
A distância da imagem diminui em relação ao espelho plano;
O tamanho da imagem diminui em relação ao espelho plano.
O que se deve saber
Difração – fenômeno que permite com que uma onda atravesse fendas ou contorne obstáculos, atingindo regiões onde, segundo a propagação retilínea da luz, não conseguiria chegar.
* A difração é explicada pelo Princípio de Huygens que afirma que: quando os pontos de uma abertura ou de um obstáculo são atingidos pela frente de onda eles tornam-se fontes de ondas secundárias que mudam a direção de propagação da onda principal, atravessando a abertura e contornando o obstáculo
* As ondas (sonoras ou luminosas) são fortemente difratadas quando o comprimento de onda l tem aproximadamente o mesmo tamanho do objeto (obstáculo ou fenda).
* Se a fonte é a mesma, a frequência da onda não se altera antes e depois da difração. Se, após a barreira, o meio for o mesmo, a velocidade de propagação da onda também será a mesma
Dispersão
A dispersão luminosa é o fenômeno da separação da luz policromática branca em suas cores componentes, o que ocorre quando a luz branca sofre refração, como por exemplo, num prisma de vidro ou em gotas de água . A luz policromática branca é composta de infinitas cores (freqüências), das quais destacamos o vermelho, alaranjado, amarelo, verde, azul, anil e violet
No vácuo e, aproximadamente no ar, de índice de refração absoluto n=1, todas as cores (freqüências) se movem com a mesma velocidade (3,0.108m/s) e por essa razão estão sempre juntas, formando a luz policromática branca.
O índice de refração absoluto de um meio é função da freqüência (cor) da radiação luminosa que o atravessa, do comprimento de onda da mesma, e de sua velocidade de propagação nesse meio.
Trabalho realizado por:
Alexandra Lopes Nª1
3ºtav
Construção de imagens
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