Introdução à Óptica

Prévia do material em texto

Contexto histórico (introdução) 
Entre nossos sentidos, a visão é o que mais colabora para o conhecimento do mundo à nossa 
volta; provavelmente por isso, o campo de estudo da Óptica desperta o interesse dos 
pensadores desde a Antiguidade. 
Filósofos gregos, como Platão e Aristóteles, já se preocupavam em responder a perguntas do 
tipo: Por que vemos um objeto? O que é a luz? Platão, por exemplo, supunha que nossos olhos 
emitiam pequenas partículas que, ao atingir um objeto, tornavam-no visível. Aristóteles 
considerava a luz um fluido imaterial que se propagava entre o olho e o objeto visto. 
Não sendo possível, com essas hipóteses, explicar um grande número de fenômenos 
luminosos que ocorrem na natureza, já nos séculos XVIII e XIX, vários físicos notáveis, como 
Newton, Huygens, Young e Maxwell, procuraram modificá-las, lançando novas ideias sobre a 
natureza da luz 
Propagação retilínea da luz 
Um dos fatos que podemos observar facilmente sobre o comportamento da luz é que, quando 
ela se propaga em um meio homogêneo, sua propagação é retilínea. Isso pode ser constatado 
quando a luz do Sol passa através das árvores em uma floresta. Sabendo que a luz se propaga 
em linha reta, podemos determinar o tamanho e a posição da sombra de um objeto sobre um 
anteparo. 
Raios e feixes de luz 
Consideremos uma fonte que emite luz em todas as direções. As direções em que a luz se 
propaga podem ser indicadas por meio de linhas retas. 
O feixe de luz emitido por um ponto luminoso é sempre divergente, mas, em um farol, por 
exemplo, o feixe que sai da lâmpada sofre modificações, transformando-se em um feixe de 
raios praticamente paralelos. O feixe que nos atinge, proveniente de uma fonte de luz muito 
afastada, é, também, constituído de raios praticamente paralelos (por exemplo, a luz do Sol 
que chega à Terra 
Após dois feixes se cruzarem, eles seguem as mesmas trajetórias que iriam seguir se não 
tivessem se interceptado, isto é, um feixe não perturba a propagação do outro. 
Velocidade da luz 
Durante muito tempo pensou-se que a luz se transmitia instantaneamente de um ponto a 
outro. Entretanto, experiências cuidadosas, realizadas durante os séculos 18 e 19, vieram 
mostrar que, na realidade, a velocidade de propagação da luz é muito grande, mas não infinita. 
De acordo com medidas atuais, o valor da velocidade da luz no vácuo (que é usualmente 
representado por c) pode ser considerado como: c = 3,00 × 108 m/s 
isto é, c = 300 000 km/s. Para se ter uma ideia do significado desse valor, podemos ressaltar 
que, se um objeto possuísse tal velocidade, poderia dar cerca de 7,5 voltas ao redor da Terra 
em apenas 1 segundo. Aliás, devemos observar que, de acordo com a teoria da relatividade de 
Einstein, esse valor representa um limite superior para a velocidade dos objetos, isto é, 
nenhum objeto material pode alcançar uma velocidade igual ou superior à velocidade da luz 
no vácuo (ver seção 8.8 do volume 1). A velocidade da luz foi medida, também, em vários 
meios materiais, encontrando-se sempre um valor inferior a c. Por exemplo, na água, a luz se 
propaga com uma velocidade v = 220 000 km/s; no diamante, com v = 120 000 km/s. 
 
Reflexão da luz 
Consideremos um feixe luminoso que se propaga no ar e incide na superfície lisa de um bloco 
de vidro. É um fato conhecido que, em virtude de o vidro ser transparente, parte dessa luz 
penetra no bloco, mas outra parte volta a se propagar no ar. Dizemos que a porção do feixe que 
voltou a se propagar no ar sofreu reflexão, ou seja, parte da luz se refletiu ao encontrar a 
superfície lisa do vidro. 
1a ) o raio incidente, a normal à superfície refletora no ponto de incidência e o raio refletido 
estão situados em um mesmo plano. 
2a ) o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão 
Difusão da luz 
Suponha que um feixe de luz incida em uma superfície irregular. Nesse caso, cada pequena 
porção da superfície reflete a luz numa determinada direção e, consequentemente, o feixe 
refletido não é bem definido, observando-se o espalhamento da luz em todas as direções. 
A maioria dos objetos reflete difusamente a luz que incide sobre eles. Assim, essa folha de papel, 
uma parede, um móvel de uma sala, etc. são objetos que difundem a luz que recebem, 
espalhando-a em todas as direções. Quando essa luz penetra em nossos olhos, enxergamos o 
objeto. Se ele não difundisse a luz, não seria possível vê-lo. Como, na difusão, a luz se espalha 
em todas as direções, várias pessoas podem enxergar um objeto, mesmo se situadas em 
posições diferentes em torno dele. 
Refração da luz 
Verifica-se experimentalmente que esse feixe se propaga em uma direção diferente daquela do 
feixe incidente, isto é, a direção de propagação da luz é alterada quando ela passa do ar para o 
vidro. Quando isso acontece, dizemos que a luz sofreu uma refração, ou seja, a luz se refrata ao 
passar do ar para o vidro. 
De modo geral, a refração ocorre quando a luz passa de um meio para outro, nos quais ela se 
propaga com velocidades diferentes. Assim a luz se refrata ao passar da água para o vidro 
porque sua velocidade de propagação na água é diferente de sua velocidade de propagação no 
vidro. 
As leis da refração 
Durante muitos séculos, tentou-se descobrir uma relação entre esses ângulos. Finalmente, em 
1620, o matemático holandês Snell, analisando um grande número de medidas de ângulos de 
incidência e de refração, chegou à conclusão de que havia uma relação constante entre os senos 
desses ângulos. 
Índice de refração 
 
 
Alguns fenômenos relacionados com a refração 
 A refração da luz é responsável por muitos fenômenos que podem ser observados em nossa 
vivência diária. 
A figura mostra um pequeno objeto O, colocado a certa profundidade, dentro da água. Os raios 
luminosos que são emitidos pelo objeto, ao passarem da água para o ar, sofrem refração, 
afastando-se da normal. Como se pode ver pela figura, os raios refratados constituem um feixe 
divergente e atingem o olho de um observador como se tivessem sido emitidos do ponto I. Por 
isso, o observador não verá o objeto. Na realidade, o que ele enxerga é uma imagem do objeto, 
na posição I, situada acima da posição ocupada pelo objeto. Essa imagem I é virtual, porque está 
localizada no ponto de encontro dos prolongamentos dos raios refratados. 
Dispersão da luz 
Dispersão da luz branca 
Consideremos, agora, um estreito feixe de luz branca, como a luz solar, incidindo em um bloco 
de vidro. Observa-se que essa luz branca, ao penetrar no vidro, refrata-se dando origem a um 
feixe colorido, no qual é possível perceber as seguintes cores: vermelho, laranja, amarelo, verde, 
azul, anil e violeta. A cor vermelha é a que sofre menor desvio, e a violeta é a mais desviada de 
todas. 
Quando se faz um feixe de luz branca incidir em um prisma de vidro, como mostra a figura. O 
feixe refrata-se ao penetrar no prisma e, novamente, ao emergir dele, o que provoca maior 
separação das cores. Esse conjunto de cores, denominado espectro da luz branca, pode ser mais 
facilmente observado se for recebido em um anteparo. 
O arco-íris 
Uma das consequências interessantes da dispersão da luz é a formação do arco-íris. Como você 
sabe, o arco-íris se forma quando a luz do Sol incide em gotículas de água em suspensão na 
atmosfera, durante ou após a chuva. Quando um raio de luz solar (luz branca) penetra em uma 
gota, ele se refrata, sofrendo dispersão. O feixe colorido é refletido na superfície interna da gota, 
como mostra a figura, e, ao emergir, refrata-se novamente, o que causa maior separação das 
cores. 
Evidentemente, essa dispersão ocorre em todas as gotas que estiverem recebendo a luz do Sol. 
Entretanto, um observador situado na superfície da Terra não recebe todas as cores 
provenientes de uma só gota, pois essas cores, ao atingir o solo, estão muito separadas umas 
das outras. Como se pode ver pela figura, a luz vermelha que chega aoobservador é proveniente 
de gotas mais altas, e a luz violeta, de gotas mais baixas. As outras cores do espectro, 
naturalmente, provêm de gotas situadas entre esses extremos. 
A cor de um objeto 
De um modo geral, ao nos referirmos à cor de um objeto, estamos supondo que ele esteja sendo 
iluminado com luz branca (luz solar ou luz de uma lâmpada comum). Lembrando que a luz 
branca é constituída pela superposição das cores do espectro, podemos concluir que um objeto 
se apresenta verde, por exemplo, porque reflete preferencialmente a luz verde, absorvendo 
quase totalmente as demais cores, ou seja, ele envia para nossos olhos apenas luz verde. Do 
mesmo modo, um objeto vermelho é aquele que reflete a luz vermelha e absorve todas as outras 
cores, podendo-se dizer o mesmo de um objeto azul, amarelo, etc. 
Um objeto é branco (quando iluminado com luz branca) porque reflete todas as cores que 
recebe, não absorvendo praticamente nenhuma luz; assim, envia a luz branca para nossos olhos 
[figura 6.23.b]. Por outro lado, um objeto preto absorve toda a luz (de todas as cores) que incide 
sobre ele, não enviando nenhuma luz para nossos olhos [figura 6.23.c].