Estudo da Óptica

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ÓPTICA
Óptica é o ramo da Física que tem como objetivo estudar a luz e os fenômenos relacionados a ela. Como a visão é um dos sentidos que mais auxilia no conhecimento, o estudo da óptica é um ramo da ciência bastante antigo, surgindo desde os tempos em que as pessoas passaram a se questionar sobre seu funcionamento.
Assim, a óptica busca explicar, por meio de proposições, os fenômenos relativos à trajetória da luz, seja ela visível, infravermelha ou ultravioleta. Além disso, estuda a natureza constitutiva da luz, causas de defeitos de visão, projeção de imagem, fenômenos e funcionamento relacionados aos espelhos, estruturas do átomo, entre vários outros assuntos.
Existem alguns registros que mostram que, já em 2283 a.C., cristais de rochas eram utilizados para a observação de estrelas no céu. Na Assíria, durante a Idade Antiga, já existia a lente de cristal. Na Grécia Antiga, lentes de vidro já eram utilizadas para criar fogo.
Como falamos há pouco, a luz é o objeto de estudo da óptica. Ela se propaga em todas as direções e em linha reta. Seus fenômenos são os mais variados possíveis, de modo que estudá-los compreende diversas áreas da Física.
Reflexão, refração, difração, são todos fenômenos que incidem sobre a luz, alterando a forma como ela é percebida e como é possível estudá-la.
· Fontes de Luz
As fontes de luz são corpos capazes de emitir luz, seja ela própria, seja refletida. Fontes de luz podem ser classificadas em:
• Fontes de luz primárias: São fontes de luz que emitem luz própria. Elas podem ser:
Incandescentes: Quando emitem luz em altas temperaturas. Exemplos: o Sol, a chama de uma vela e as lâmpadas de filamento.
Luminescentes: Quando emitem luz em baixas temperaturas. As fontes de luz primária luminescentes podem ser fluorescentes ou fosforescentes.
-Fluorescentes: emitem luz apenas enquanto durar a ação do agente excitador.
Ex.: lâmpadas fluorescentes.
-Fosforescentes: Emitem luz por um certo tempo, mesmo após ter cessado a ação do excitador. Nessas fontes de luz, a energia radiante é proveniente de uma energia potencial química. Ex.: Interruptores de lâmpadas e ponteiros luminosos de relógios.
• Fontes Secundárias: São aquelas que emitem apenas a luz recebida de outros corpos.
 Ex.: Lua, cadeiras, roupas etc.
· Meios de propagação
A luz pode se propagar em três tipos diferentes de meios: transparentes, translúcidos e opacos.
Os meios transparentes são aqueles que permitem que os raios de luz perpassem de maneira ordenada, possibilitando o reconhecimento nítido dos corpos. Vidro polido e o próprio ar da atmosfera são alguns exemplos de meios transparentes.
Já os meios translúcidos também permitem a passagem dos raios de luz, porém isso acontece de maneira desorganizada, o que resulta em uma imagem sem nitidez. Vidro fosco, plástico, entre outros, são exemplos de corpos que funcionam como meios translúcidos de propagação da luz.
Por fim, os meios opacos são aqueles que impedem completamente que os raios de luz passem através deles, de modo que a visão dos corpos de seu outro lado não é possível. Qualquer objeto que não se enquadre nas duas categorias anteriores é considerado opaco, como pessoas, portas de madeira, concreto, entre vários outros.
· Princípios fundamentais da óptica
Assim como várias áreas da Física, a Óptica também opera a partir de princípios exclusivos. São eles:
• Princípio da Propagação Retilínea - que diz que a luz sempre se propaga em linha reta. Em consequência disso temos a formação das sombras, penumbras e eclipses.
• Princípio da Independência de Raios de Luz - que prega que 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 - que atesta que a luz é reversível. Isso significa que, por exemplo, quando vemos alguém por meio de um espelho, com toda certeza essa pessoa também será capaz de nos ver. Assim, raios de luz sempre serão capazes de fazer exatamente o mesmo caminho na direção inversa.
• Reflexão – quando um raio de luz bate em uma superfície e volta ao mesmo ambiente de onde se originou, mudando a sua direção. Ex.: acontece nos espelhos.
• Refração – quando um raio de luz parte de um meio para outro de diferente densidade, se desvia da trajetória inicial. Ex.: quando a luz passa por uma lente.
 
· Cor dos objetos
A cor não é uma característica própria dos objetos, mas é definida pela luz que os ilumina. Dependendo do tipo de luz que ilumina um objeto, monocromática (uma cor) ou policromática (luz branca), ele pode apresentar-se com diferentes cores.
Os objetos coloridos apresentam a capacidade de refletir apenas uma cor de luz. Um corpo que é vermelho pode refletir somente a luz monocromática vermelha, e qualquer outro tipo de luz monocromática incidente será absorvida. Portanto, se um objeto vermelho for iluminado por uma fonte que emita luz monocromática amarela, ele absorverá a radiação incidente e não refletirá nada, apresentando-se como um corpo negro. Um objeto que se apresenta com a cor preta absorve qualquer tipo de luz incidente. Os objetos brancos possuem a capacidade de refletir qualquer tipo de radiação incidente, por isso, podem apresentar-se em qualquer cor.
· Espelhos
· Espelho Plano
Pode-se considerar como um espelho plano, qualquer superfície plana que seja capaz de refletir a luz incidente. Assim, os espelhos planos podem ser encontrados em diversos formatos (circular, triangular, polígonos, etc...), em diferentes objetos, desde que a superfície tenha a característica de sempre ser plana e muito bem polida, para que exista o reflexo dos raios de luz. Entre os elementos ópticos o espelho plano é o considerado mais simples.
O espelho plano é aquele em que a superfície de reflexão é totalmente plana. Geralmente a superfície refletora de um espelho é composta por uma película de prata em uma das faces de um vidro transparente. Esse vidro serve como um tipo de proteção da película. É depositada uma fina camada de prata ou alumínio em uma das faces de uma placa de vidro, com isso a outra face torna-se um espelho. Essa é a forma mais comum de fazer um espelho plano. Ele possui várias utilidades que são bem distintas, essas vão desde o uso doméstico até como componentes de sofisticados instrumentos ópticos.
As características de um espelho plano
Um espelho plano pode se caracterizar por apresentar uma superfície que seja plana e polida, onde a luz que é incidida reflete de forma regular. Entre as principais características de um espelho plano temos:
-
A imagem se forma atrás do espelho (uma imagem virtual) através do cruzamento dos prolongamentos dos raios que incidem o espelho, e a mesma tem o mesmo tamanho do objeto.
-
A distância do objeto ao espelho é igual à distância da imagem ao espelho, desta forma, é possível afirmar que são simétricos.
-
Existe reversão da imagem, ou seja, da direita para a esquerda ou vice-versa (Simétrica). Mas não de baixo para cima.
Observe a imagem que exemplifica as características acima citadas.
 
· Espelho Esférico
Espelhos esféricos são superfícies refletoras que têm a forma de calota esférica. São côncavos se a superfície refletora for a parte interna, ou convexos, se a superfície refletora for a parte externa.
Os espelhos esféricos são superfícies polidas que possuem uma curvatura originada de uma  casca esférica.
- Espelhos côncavos e convexos
Os espelhos esféricos podem ser: côncavos ou convexos. O Espelho côncavo é aquele cuja superfície espelhada (polida) é a superfície interna da casca esférica, como é o caso dos espelhos de estojos de maquiagem. O Espelho convexo é aquele cuja  superfície espelhada (polida) é a superfície externa da casca esférica, como é o caso dos utilizados em alguns tipos de espelhos retrovisores e espelhos utilizados em supermercados e farmácias.
Um objeto próximo de um espelho côncavo (curvatura para dentro) produzirá uma imagem na posição correta e ampliada. Um objeto distante produzirá imagem de cabeça para baixoe reduzida. A imagem de um objeto num espelho convexo (curvatura para fora), como nos espelhos retrovisores como dos carros, estará na posição correta, mas será reduzida.
· Lentes
As lentes são objetos muito comuns em nosso dia a dia. Isso porque muitas pessoas utilizam óculos, que são compostos por um par desse dispositivo óptico. Além dos óculos, a lupa, o telescópio, as câmeras fotográficas e câmeras de celular também têm lentes.
As lentes divergentes e convergentes são objetos fabricados com um pedaço sólido de vidro com superfícies curvas, que seguem uma curva circular. Dessa forma, quando os raios de luz chegam até a lente, eles podem convergir (lente convergente) ou divergir (lente divergente).
 
Como funcionam as lentes convergentes e divergentes?
A lente convergente tem a característica de convergir os raios de luz em um ponto específico. Dessa forma, observe a imagem abaixo. Nela temos uma lente convergente e raios de luz que estão se aproximando dela. Quando eles passam por ela começam a convergir para um ponto, que é conhecido como foco. Já a lente divergente tem a característica de divergir os raios de luz. Observe a imagem abaixo. Nela há uma lente divergente. Os raios de luz chegam à lente, mas ao atravessarem se espalham.
Exercícios:
1) Uma onda cuja propagação é perpendicular à direção da oscilação é denominada de onda:
a) Transversal.
b) Sonora.
c) Longitudinal.
d) Ampliada.
2) As ondas de calor, a luz, as ondas de rádio e o som são, respectivamente, tipos de ondas:
a) Eletromagnéticas-eletromagnéticas-mecânicas-eletromagnéticas.
b) Eletromagnéticas-eletromagnéticas-eletromagnéticas-mecânicas.
c) Mecânicas-eletromagnéticas-eletromagnéticas-mecânicas.
d) Mecânicas-eletromagnéticas-eletromagnéticas-eletromagnéticas.
3) Na frente de um obstáculo emite-se um som cujo eco escuta-se 4 s mais tarde. Considerando a velocidade do som 340 m/s; determine a distância entre o observador e o obstáculo.
4) A velocidade do som é maior na água ou no ar? Justifique sua resposta.
5) Vê-se um relâmpago e a trovoada escuta-se 5 s mais tarde. Sabendo-se que a velocidade de propagação do som no ar é de 340 m/s, calcule a distância entre o observador e o raio.
6) Quando todas as cores impressionam simultaneamente os nossos olhos, percebemos:
a) A cor preta.
b) A cor branca.
c) As cores primárias.
d) A cor vermelha.
7) Um corpo de cor preta:
a) Reflete todas as cores.
b) Absorve todas as cores.
c) Absorve apenas as cores primárias.
d) Reflete apenas as cores primárias.
8) Quando a luz é absorvida por um corpo:
a) Ele diminui a temperatura.
b) Sua temperatura permanece e é branco.
c) Ele se aquece e é preto.
d) Ele é da cor branca.
9) Um vidro é transparente quando:
a) Reflete toda a luz.
b) Refrata uma parte da luz.
c) Deixa passar toda a luz.
d) Absorve todas as cores.
10) A lâmpada elétrica foi inventada por:
a) Newton.
b) Thomas Edison.
c) Huygghens.
d) Fresnel.
11) Corpos que emitem luz própria são denominados:
a) Luminosos.
b) Iluminados.
c) Feixes de luz.
d) Pincel luminoso.
12) Corpos que se deixam atravessar parcialmente pela luz são denominados:
a) Opacos.
b) Transparentes.
c) Translúcidos.
d) Pretos.
13) Um raio luminoso incide sobre um espelho plano formando um ângulo de 30° com sua superfície refletora. Qual o ângulo formado entre os raios incidente e refletido?
14) Qual das afirmações abaixo é correta?
a) a velocidade da luz é igual a velocidade do som;
b) a luz se propaga em linha reta;
c) a velocidade da luz solar é maior que a da luz de uma vela;
d) a luz não se propaga no vácuo;
15) Um observador A, olhando num espelho, vê um outro observador B. Se B olhar no mesmo espelho, ele verá o observador A. Esse fato é explicado pelo:
a) princípio da propagação retilínea da luz;
b) princípio da independência dos raios luminosos;
c) princípio da reversibilidade dos raios luminosos;
d) princípio da propagação curvilínea da luz; 
16) Dois faroletes emitem feixes de luz que se interceptam. Após o cruzamento dos feixes:
a) um feixe se reflete no outro feixe;
b) os dois feixes se juntam formando um único feixe;
c) os feixes continuam sua propagação como se nada tivesse acontecido;
d) os feixes diminuem de intensidade; 
17) Uma lâmpada apagada não pode ser vista no escuro porque:
a) ela não é fonte de luz primária mesmo quando acesa;
b) ela é uma fonte secundária de luz;
c) ela é uma fonte primária de luz;
d) o meio não é transparente; 
18) Dentre as alternativas escolha a que contém apenas fontes primárias de luz:
a) pilha de lanterna, Sol e fósforo;
b) Sol, Lua e lâmpada elétrica;
c) Lâmpada elétrica, fósforo e Sol;
d) Sol, lâmpada acesa e estrelas;
19) Qual dos seguintes objetos seria visível numa sala perfeitamente escurecida?
a) um espelho;
b) qualquer superfície clara; 
c) um fio aquecido ao rubro;
d) uma lâmpada desligada;
e) um gato preto.
20) Os eclipses do Sol e da Lua comprovam o princípio da:
a) reversibilidade dos raios luminosos;
b) independência dos raios luminosos;
c) refração da luz;
d) propagação retilínea.
21) Um espelho plano forma:
a) sempre imagens virtuais.
b) sempre imagens reais.
c) imagens reais de objetos reais.
d) imagens virtuais de objetos virtuais.
e) imagens reais de objetos virtuais e vice-versa.
22) Um objeto está a 20 cm de um espelho plano. Um observador, que se encontra diretamente atrás do objeto e a 50 cm do espelho, vê a imagem do objeto distante de si, a:
a) 40 cm
b) 70 cm
c) 90 cm
d) 100 cm
e) 140 cm
23) Um raio de luz incide num espelho plano formando um ângulo de 40º, com o espelho como indica a figura. Determine:
a) o ângulo de incidência;
b) o ângulo de reflexão;
c) o ângulo formado entre o raio refletido e o espelho ;
d) o ângulo formado entre o raio incidente e o raio refletido. 
24) São características das imagens formadas por espelhos planos:
a) Simétrica, invertida e virtual.
b) Revertida, simétrica e real.
c) Reduzida, simétrica e invertida.
d) Direita, igual e virtual.
e) Real, direita e ampliada.