Óptica e comportamento da luz

DEFINIÇÃO
Introdução aos conceitos de óptica geométrica e propriedades ondulatórias da luz.
PROPÓSITO
Compreender o que é a luz, o comportamento da luz, o conceito da formação de imagem e o
conceito da polarização da luz.
PREPARAÇÃO
Antes de iniciar o conteúdo deste tema, tenha em mãos papel, caneta e uma calculadora
científica, ou use a calculadora de seu celular/computador.
OBJETIVOS
MÓDULO 1
Aplicar os conceitos de propagação, reflexão e refração da luz
MÓDULO 2
Reconhecer o comportamento da luz perante os mais diversos tipos de espelhos e lentes
MÓDULO 3
Empregar o conceito da polarização da luz
MÓDULO 1
 Aplicar os conceitos de propagação, reflexão e refração da luz
INTRODUÇÃO
BEM-VINDOS AO ESTUDO DA ÓPTICA E
COMPORTAMENTO DA LUZ!
Neste tema, vamos compreender como o ser humano consegue enxergar tudo o que está à sua
volta, estudando a luz e suas propriedades, por meio da Óptica.
O que é a luz? Chamamos de “luz” a radiação eletromagnética cuja frequência consegue
sensibilizar o olho humano, fazendo com que o ser humano enxergue tudo o que está a sua volta,
pois a interação da luz com a matéria, forma imagens. Sem luz, não há imagem. O que é a
óptica? É a parte da Física que estuda o comportamento da luz. Tais fenômenos são conhecidos
desde a Antiguidade, existindo registros de 2.283 a.C.
PROPAGAÇÃO DA LUZ E CONCEITO DE
ÍNDICE DE REFRAÇÃO
A luz consegue se deslocar (propagar) no vácuo com velocidade aproximada de 3x108 m/s. As
frequências de luz que conseguem sensibilizar o olho humano são chamadas de frequências
pertencentes ao espectro visível. O espectro visível possui comprimento de ondas entre as faixas
de 400 nm a 700 nm, como mostra a figura 1.
NM
1 nm (nanômetro) = 10-9 m
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Fonte: Shutterstock
 Figura 1
 
Fonte: autor/shutterstock
 Figura 2
 
Fonte: autor/shutterstock
 Figura 3
A luz pode ser de origem natural, como aquela que vêm do Sol (figura 2), mas também artificial,
como a quem vem de lâmpadas (figura 3). Ao analisar a figura 1, podemos observar que as cores
que conhecemos estão em uma faixa de comprimento de onda entre 400 nm e 750 nm. O verde,
por exemplo, tem um comprimento de onda médio de 550 nm. Isso ocorre por que a velocidade
da luz verde é diferente da velocidade da luz azul, por exemplo?
 
A RESPOSTA É NÃO! A VELOCIDADE DA LUZ VERDE É
A MESMA VELOCIDADE DA VERMELHA, DA AZUL, DA
AMARELA E DA BRANCA. ENTÃO, O QUE MUDA? A
FREQUÊNCIA!
 
O comprimento de onda ( ) e a frequência (f) se relacionam de forma inversamente proporcional,
compondo a velocidade, assim:
λ
 (1)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Onde λ é dado em metros (m) e a frequência é dada em Hertz (Hz). Isolando a frequência, temos:
 (2)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Utilizando a equação (2), podemos montar uma tabela para expressar a frequência de cada cor:
Cor F (THZ) l (nm)
violeta 668–789 380–450
azul 606–668 450–495
verde 526–606 495–570
amarelo 508–526 570–590
laranja 484–508 590–620
vermelho 400–484 620–750
 Atenção! Para visualização completa da tabela utilize a rolagem horizontal
Tabela 1 - As cores e suas respectivas faixas de frequência e faixa de comprimento de onda
c = λf
f = c
λ
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THZ
1 THz (Terahertz) = 1012Hz
Note que na tabela 1, as cores aparecem com faixas de frequência e de comprimento de onda.
Isso define a tonalidade da cor. Também podemos perceber que a cor vermelha é a que possui
menor frequência e maior comprimento de onda, quando falamos da luz visível, e que o violeta é
o que possui maior frequência e menor comprimento de onda.
A luz branca, ou a luz pura, que é a luz proveniente do Sol, por exemplo, é uma composição de
todas as frequências de cores do espectro do visível. Ou seja, a luz branca é a mistura de todas
as cores, e isso pode ser observado e comprovado pelo experimento chamado Disco de Newton.
O experimento recebeu esse nome devido ao fato de Isaac Newton ter afirmado que a luz branca
proveniente do Sol é composta pelas luzes que compõem as cores do arco-íris.
 SAIBA MAIS
Pesquise e assista ao vídeo Disco de Newton Laboratório de ensino de Física para entender
melhor o experimento.
autor/shutterstock
Essa refração é determinada em função da velocidade da luz no vácuo, e é um valor sempre
maior ou igual a um, isso porque o ÍNDICE DE REFRAÇÃO (n) é determinado pela razão entre a
velocidade da luz no vácuo (c) e a velocidade da luz (v) no meio diferente do vácuo no qual se
propaga:
 (3)
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
 
Como o índice de refração é a razão entre duas velocidades, trata-se de uma grandeza
adimensional. O índice de refração determinado na equação (1) é chamado de índice de refração
absoluto.
Além do índice de refração absoluto, também existe o índice de refração relativo. Este é obtido
pela razão entre duas velocidades da luz que se propagam entre dois meios nos quais nenhum é
o vácuo.
 (4)
n = cv
nr =
v1
v2
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Vamos compreender o conceito de índice de refração absoluto e relativo, e sua forma prática,
analisando os seguintes exemplos:
 
Exemplo 1
Considere um feixe de raio solar que viaja do Sol à Terra pelo vácuo. A velocidade da luz no
vácuo possui velocidade de 3x108 m/s, e a velocidade da luz no ar do planeta Terra é igual a
299.792.458 m/s.
Por essas informações, o índice de refração absoluta da passagem da luz do vácuo para o ar
atmosférico é igual a:
 
Solução:
O índice de refração absoluto é dado pela equação (3), assim:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
 
Podemos escrever a velocidade da luz no vácuo como:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
 
Realizando a razão, temos:
n = cv
c = 3x108 = 300.000.000m/s
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
 
Ou seja, o índice de refração da luz, envolvendo como primeiro meio de propagação o vácuo e o
segundo o ar atmosférico é de aproximadamente 1. Isso indica que não há mudança expressiva
na velocidade em relação à mudança de ambiente, do vácuo para o ar atmosférico.
 
OBVIAMENTE, A PASSAGEM DE MEIO DO AR
ATMOSFÉRICO PARA O ESPAÇO SIDERAL TAMBÉM
TEM COMO ÍNDICE DE REFRAÇÃO N=1.
 
Exemplo 2 
 
Um raio de Luz é gerado em um ambiente onde existe, como meio, a água, cujo índice de
refração é igual a 1,33. Esse raio de luz se propaga e passa para o meio óleo, cujo índice de
refração é igual a 1,46. Considerando a velocidade da luz no vácuo, determine: (a) a razão entre
as velocidades da luz na água e no óleo, e (b) o índice de refração relativo:
Veja a solução no vídeo a seguir:
n = = 1, 0006922855944561487267301434248
300.000.000
299.792.458
n ≈ 1, 00
ÍNDICE DE REFRAÇÃO ABSOLUTO E ÍNDICE
DE REFRAÇÃO RELATIVO
É verdade que encontramos os mesmos resultados em (a) e (b). Isso ocorreu porque o índice de
refração relativo também pode ser determinado pela razão entre os meios refratários
atravessados pela luz:
 (5)nr =
n2
n1
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
 
Outro efeito do fenômeno da refração é um desvio experimentado pela luz, ou seja, quando a luz
passa de um meio com índice de refração n1 para outro de refração n2, ela muda sua direção.
Esse desvio é medido em relação ao ângulo que a luz faz com uma reta normal imaginária.
Matematicamente, esse desvio é explicado pela Lei de Snell-Descartes.
LEI DE SNELL-DESCARTES
A lei de Snell-Descartes, ou simplesmente Lei de Snell, afirma que, em uma refração, o produto
entre o índice de refração do meio, no qual se encontra o raio pelo seno do ângulo que ele forma
com a reta normal à interface no ponto de incidência, é constante. A figura 4 ilustra o caso:
 
 Figura 4