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AAPPOOSSTTIILLAA TTEEÓÓRRIICCAA ÓÓPPTTIICCAA TTÉÉCCNNIICCAA II LLiilliiaa CCoorroonnaattoo CCoouurrrrooll AAnnddrréé ddee OOlliivveeiirraa PPrreettoo 2 Índice Capitulo 1: Luz .................................................................................................................. 3 1.1 Natureza da luz ......................................................................................................... 3 1.2 Corpos luminosos e corpos iluminados...................................................................... 6 1.3 Fenômenos ópticos.................................................................................................... 8 1.4 Reflexão da luz - Leis da reflexão ........................................................................... 10 1.5 Refração luminosa................................................................................................... 17 1.6 Angulo limite, reflexão total.................................................................................... 21 1.7 Desvio angular ........................................................................................................ 26 1.8 Lâmina de faces paralelas........................................................................................ 29 Capitulo 2: Espelhos esféricos.......................................................................................... 32 2.1 Obtenção de espelhos esféricos côncavos e convexos.............................................. 32 2.2 Construção de imagens em espelhos esféricos ......................................................... 33 2.3 Determinação analítica das características das imagens ........................................... 35 Capitulo 3: Lentes ............................................................................................................ 43 3.1 Classificação das lentes Quanto à forma das lentes.................................................. 43 3.2 Elementos de uma lente esférica.............................................................................. 45 3.3 Refração em uma superfície esférica ....................................................................... 46 3.4 Equação dos fabricantes de lentes (Equação de Halley) ........................................... 48 3.5 Construção de imagens em lentes esféricas.............................................................. 49 3.6 Determinação analítica das características das imagens ........................................... 52 Capitulo 4: Olho humano ................................................................................................. 54 4.1 Anatomia do olho humano ...................................................................................... 54 4.2 O olho como sistema óptico .................................................................................... 57 4. 3: Defeitos visuais..................................................................................................... 60 Capítulo 5: Instrumentos ópticos ..................................................................................... 67 5.1 Instrumentos de projeção......................................................................................... 67 5.2 Instrumentos de observação..................................................................................... 70 Capítulo 6: Aberrações..................................................................................................... 75 6.1 Aberração cromática ............................................................................................... 75 6.2 Aberrações Geométricas.......................................................................................... 76 Capítulo 7: Radiometria e Fotometria............................................................................... 80 Leitura Complementar ..................................................................................................... 91 3 Capitulo 1: Luz 1.1 Natureza da luz Teoria corpuscular da luz Em 1672, o físico inglês Isaac Newton apresentou uma teoria conhecida como modelo corpuscular da luz. Nesta teoria a luz era considerada como um feixe de partículas emitidas por uma fonte de luz que atingia o olho estimulando a visão. Esta teoria conseguia explicar muito bem alguns fenômenos de propagação da luz como a reflexão e a refração. Teoria ondulatória da luz Cristian Huygens, em 1670, mostrou que as leis de reflexão e refração podiam ser explicadas por uma teoria ondulatória, mas esta teoria não foi imediatamente aceita. Somente no século XVIII as experiências de Thomas Young e Augustin Fresnel, sobre interferência, e as medidas da velocidade da luz em líquidos, realizadas pelo cientista francês L. Foucault, demonstraram a existência de fenômenos óticos nos quais a teoria corpuscular não se aplicava, mas sim uma teoria ondulatória. Young conseguiu medir o comprimento de uma onda, e Fresnel mostrou que a propagação retílinea da luz e os efeitos de difração, são explicados considerando a luz como onda. No século XIX, o cientista francês L. Foucault, medindo a velocidade da luz em diferentes meios (ar/água), verificou que a velocidade da luz era maior no ar do que na água, contradizendo a teoria corpuscular que considerava que a velocidade da luz na água deveria ser maior que no ar (Newton não tinha condições, na época, de medir a velocidade da luz). Na segunda metade do século XIX, James Clerk Maxwell , através da sua teoria de ondas eletromagnéticas, provou que a velocidade com que a onda eletromagnética se propagava no espaço era igual à velocidade da luz, cujo valor é, aproximadamente: c = 3 x 10 8 m/s = 300 000 km/s. Maxwell estabeleceu teoricamente que: 4 A luz é uma modalidade de energia radiante que se propaga através de ondas eletromagnéticas. Hertz, 15 anos após a descoberta de Maxwell, comprovou experimentalmente a teoria ondulatória, usando um circuito oscilante. Características de uma onda: comprimento de onda (λ) e freqüência (f). A velocidade da onda é dada pelo produto do comprimento de onda, pela freqüência, f, ou seja, este produto é constante para cada meio: fV *λ= ( 1) onde: T f 1= ( 2) O que se observa pela equação1.1 é que quanto maior a freqüência menor o comprimento de onda e vice-versa. Fig. 1.1 Representação de uma onda apresentando comprimento de onda (λ), amplitude (A) e velocidade (V). Dualidade onda/partícula Quando parecia que realmente a natureza da luz era onda eletromagnética, essa teoria não conseguia explicar o fenômeno de emissão fotoelétrica (fig.1.2), que é a ejeção de elétrons quando a luz incide sobre um condutor. Einstein (1905 ) usando a idéia de Planck (1900), mostrou que a energia de um feixe de luz era concentrada em pequenos pacotes de energia, denominados fótons, que explicava o fenômeno da emissão fotoelétrica. 5 Fig. 1.2 :Efeito fotoelétrico A natureza corpuscular da luz foi confirmada por Compton (1911). Verificou que quando um fóton colide com um elétron, eles se comportam como corpos materiais. Atualmente aceita-se o fato de que: A luz tem caráter dual: os fenômenos de reflexão, refração, interferência, difração e polarização da luz podem ser explicados pela teoria ondulatória e os de emissão e absorção podem ser explicados pela teoria corpuscular. Sendo assim utilizamos a Óptica geométrica para comprimentos de onda (λ) muito maior do que uma fenda; e a Óptica física para comprimentos de onda (λ) próximos a dimensões de uma fenda. A figura abaixo apresenta o espectro da luz, onde é destacado a região do visível. 6 Fig. 1.3: Espectro da luz 1.2 Corpos luminosos e corpos iluminados O Sol, as estrelas, uma lâmpada ou uma vela, acesas, são objetos que emitem luz própria, isto é, produzida por si próprios. São corpos luminosos. A maioria dos corpos que nos cercam,porém, envia luz somente depois de a receberem de algum corpo luminoso. São os chamados corpos iluminados. A mesa, o livro ou a poltrona são corpos iluminados porque refletem a luz emitida por corpos luminosos. A Lua fica visível ao anoitecer porque reflete a luz do Sol. Conforme a quantidade de luz que deixam passar e a propagação, os meios classificam-se em: transparentes, translúcidos e opacos. - Meios transparentes (fig.1.4a): são os que deixam passar a luz em trajetórias regulares e nos permitem observar perfeitamente os objetos através deles, como a água, o ar ou o vidro comum. - Meios translúcidos (fig.1.4b):: são os que deixam passar a luz em trajetórias irregulares que nos permitem observar somente o contorno dos objetos através de si, como o vidro esmerilhado ou o papel vegetal. 7 - Meios opacos (fig.1.4c): : são aqueles que não permitem a passagem da luz. É o caso, entre outros, da madeira, do chumbo ou do ferro. Fig.1.4: (a)transparente; (b) translúcido; (c) opaco. Raios de luz Certos fenômenos luminosos podem ser estudados sem que se conheça previamente a natureza da luz; basta para tanto a noção de raio de luz. Assim para se representar graficamente a luz em propagação, como, por exemplo a emitida pela chama de uma vela, utilizamos a noção de raio de luz. Raio de luz são linha orientadas que representam, graficamente, a direção e o sentido da propagação da luz Um conjunto de raios de luz constitui um feixe de luz. Este pode ser convergente, divergente ou paralelo (fig.1.5). Fig.1.5: Feixes de luz ����� ��� � �� � � ���������������ff�fi� fl�ffi! #"�$&%#"�')(*" +ff,�-.,�/10�/12 8 1.3 Fenômenos ópticos Considere um feixe de raios paralelos propagando-se num meio (1) (por exemplo, ar) e incidindo sobre a superfície plana S de separação comum meio (2) (por exemplo, água, papel, chapa metálica polida, etc.). Dependendo da natureza do meio (2) e da superfície S, ocorrem simultaneamente, com maior ou menor intensidade, os seguintes fenômenos: Reflexão regular: o feixe de raios paralelos que se propaga no meio (1) incide sobre a superfície S e retorna ao meio (1), mantendo o paralelismo (fig.1.6a). É o que acontece, por exemplo, sobre a superfície plana e polida de um metal. Fig.1.6a: reflexão angular Reflexão difusa: o feixe de raios paralelos que se propaga no meio (1) incide sobre a superfície S e retorna ao meio (1), perdendo o paralelismo e espalhando-se em todas as direções (fig.1.6b). A difusão é devida as irregularidades da superfície. A reflexão difusa é responsável pela visão dos objetos que nos cercam. Por exemplo, vemos uma parede porque ela reflete difusamente para nossa vista a luz que ela recebe. Fig.1.6b: reflexão difusa (1) (2) s (1) (2) s 9 Refração da luz: o feixe de raios paralelos que se propaga no meio (1) incide sobre a superfície S e passa a se propagar no meio (2) (fig.1.6c). É o que acontece, por exemplo, quando a luz se propaga no ar e incide sobre a superfície livre da água de uma piscina. A reflexão neste caso é regular, permitindo a uma pessoa no fundo da piscina ver o Sol. Se no meio (2) for translúcido, como o vidro fosco, os raios refratados perdem o paralelismo e a refração é difusa. Fig.1.6c: refração da luz Absorção da luz: o feixe de raios paralelos que se propaga no meio (1) incide sobre a superfície S e não se propaga no meio (2); ocorre a absorção de luz (fig.1.6d). Como a luz é uma forma de energia, sua absorção ocasiona um aquecimento. Fig.1.6d: absorção da luz Na reflexão regular, na reflexão difusa e na refração, os feixes refletidos, difundidos ou refratados apresentam energia luminosa menor que a do feixe incidente que lhes deu origem, pois uma parte da energia é sempre absorvida. Num corpo negro, a absorção da luz (1) (2) s (1) (2) s 10 é total. Num corpo cinza escuro há elevada taxa de absorção. Num corpo branco, a difusão predomina. Numa superfície metálica bem polida, predomina a reflexão regular, sendo mínima a difusão e praticamente inexistente a absorção. Na superfície de separação entre dois meios homogêneos e transparentes, para incidência pouco obliqua, predomina refração. 1.4 Reflexão da luz - Leis da reflexão Consideremos a reflexão de um raio de luz numa superfície S (fig.1.7), sendo RI o raio incidente no ponto I da superfície S, o qual forma com a normal à superfície (N) o ângulo de incidência i. O raio refletido RR, que se individualizava após a reflexão, forma com a normal N o ângulo de reflexão r. Fig.1.7: reflexão da luz, em superfície plana e esférica A reflexão da luz é regida pelas leis: 1ª lei: O raio refletido, a normal e o raio incidente estão situados no mesmo plano. 2ª lei: O ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência r=i (1) (2) s i r N N (1) (2) s i r 11 Principio de Fermat A seguir, estudaremos fenômeno de reflexão usando o princípio de Fermat, ou princípio de tempo mínimo. Observando a figura 1.8a notamos que existem várias trajetórias possíveis, para um raio luz ir do ponto A ao B por reflexão no plano espelhar. Fig.1.8- Reflexão da luz por um espelho De acordo com o princípio de Fermat, um raio de luz percorre o trajeto entre dois pontos levando sempre o menor tempo possível. A figura 3(b) e o teorema de Pitágoras mostram que o comprimento do trajeto de A até o ponto (P) de reflexão no espelho, é 22 1 xar += ( 3) e que o comprimento do trajeto até o ponto B é igual ( )222 xdbr −+= ( 4) O tempo de trânsito para ir de A até B é a soma dos tempos gastos pelos raios incidentes e refletidos; v r v r v r ttt PBAP =+=+= 21 ( 5) No caso da luz se propagando com velocidade v ao longo do trajeto de A a B, o tempo gasto necessário é o comprimento total do trajeto dividido por v. Assim, A B B A a b x d-x N r1 r2 P d (b)(a) EE θ2 θ1 12 ( ) v xdbxa t 2222 −+++ = ( 6) Como o valor de t depende de x, o cálculo diferencial nos diz que, se houver um valor de x que minimize t, então dt/dx será igual a zero. Logo, calcularemos a derivada, de acordo com Fermat, obtendo. ( ) −+ − − + =⇒== 2222 101 xdb xd xa x vdx dt dx dr vdx dt ( 7) Igualando a derivada a zero, resulta 2222 bx)(d x)(d xa x +− − = + ( 8) O lado esquerdo dessa igualdade é exatamente sen(θ1) , e o lado direito é exatamente sen(θ2). Portanto temos que: 2121 sensen θ=θ⇒θ=θ ( 9) Isto significa que, na reflexão o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão. Formação de imagens Considere um ponto P luminoso ou iluminado colocado em frente a um espelho plano E. Os raios de luz refletidos, pelo espelho e provenientes de P podem ser determinados através das leis da reflexão. Sejam, por exemplo, os seguintes raios incidentes (fig.1.9): 13 Fig.1.9: PI = P´I A interseção dos prolongamentos de raios refletidos IP e JK determina um ponto P´. Da igualdade entre os triangulos PIJ e P´IJ resulta: PI =P´I, isto é: P e P´ são eqüidistantes Por outro lado, sendo qualquer o raio incidente PJ, podemos concluir: Os prolongamentos de todos os raios refletidos no espelho, provenientes de P, passam por P´ (Fig.10) Fig.1.10: Prolongamentos do raio refletido. E i r P P´ K I E P P´ 14 O feixe refletido no espelho atinge o globo ocular de um observador (fig.1.10). Para este, o feixe parece originar-se em P´. O observador vê P´. O ponto P´ definido pela interseção de raios emergentes do espelho é denominado ponto-imagem virtual, em relação ao espelho. O ponto P definido pela interseção de raios incidentes sobre o espelho é denominado ponto-objeto real, em relação ao espelho. De modo geral: Ponto real: Interseção efetiva de raios luminosos Ponto virtual: Interseção de prolongamentosde raios luminosos Translação de espelho plano Consideremos um espelho plano numa posição E1 diante do qual há um ponto objeto P, conforme ilustramos na fig.1.11. Mantendo-se fixo o ponto objeto P translademos o espelho até que ele atinja uma nova posição E2. Indiquemos por dE = E1E2 o deslocamento experimentado pelo espelho. Obviamente, a imagem, inicialmente numa posição P1, sofrerá também um deslocamento translatório dI, no mesmo sentido que o do espelho, e atingirá uma nova posição P2, de modo que dI = P1P2. Calculemos, então, em função de dE o valor do deslocamento dI da imagem. Fig.1.11: translação de espelho plano 15 Temos: dI = P1P2 = PP2 - PP1 (10) dE = AB = PB – PA ( 11) A propriedade da simetria nos fornece: P1A = PA e P2B = PB ( 12) então: PP1 = PA + P1A = 2.PA ( 13) PP2 = PB + P2B = 2.PB (14) Substituindo as equações 11 e 12 na equação 8, temos: dI = PP2 - PP1 = 2.PB - 2.PA = 2(PB - PA) = 2.dE ( 15) portanto: dI = 2.dE ( 16) Para um dado ponto objeto fixo, o deslocamento da imagem conjugada por um espelho plano em translação é o dobro do deslocamento de espelho e se efetua no mesmo sentido deste. Rotação de espelho plano Seja dado um espelho plano numa posição E1, no qual incide um raio de luz, de direção r fixa, conforme indicamos na fig. 1.12. O plano de incidência é definido por r e pela normal N1 no ponto de incidência I1. Sempre supondo que r permaneça fixo, consideremos a rotação do espelho em torno de um eixo (T), perpendicular ao plano de incidência (r,N1). O espelho, após girar do ângulo αE, [αE = E1TE2] ocupará a posição E2. É fácil observar que o raio refletido r1 também sofrerá um giro caracterizado pelo ângulo βr. Procuremos, então, o valor de βr. , supondo conhecido o valor de αE. 16 Fig.1.12: rotação de espelho plano Observar-se que βn = αE já que esses ângulos possuem lados respectivamente perpendiculares. Observemos, também, que os giros definidos por αE, βr e βn têm todos o mesmo sentido de rotação horário. Observando o triângulo 0I1I2, vemos que o ângulo 2θ2 é externo a este triângulo, valendo, então a soma dos internos não adjacentes: 2θ2 = 2θ1 + βr e, portanto: βr = 2θ2 - 2θ1 = 2(θ2 - θ1) ... ( 17) Se atentarmos para o triângulo NI1I2 , veremos que o ângulo θ2 é externo a este triângulo, valendo então, a soma dos internos não adjacentes: θ2 = θ1 + βn ou βn = θ2 - θ1 ... ( 18) substituindo (equação 15) em (equação 16) obtém-se: βr = 2. βn ou βr = 2. αE ( 19) Para um raio incidente fixo, o ângulo de giro do raio refletido é o dobro do ângulo de giro do espelho e se verifica no mesmo sentido deste. 17 1.5 Refração luminosa A refração da luz é o fenômeno que ocorre quando a luz muda seu meio de propagação. Vimos que a luz, propagando-se num meio 1 e incidindo sobre a superfície S de separação com um meio 2, apresenta simultaneamente os fenômenos: reflexão, refração e absorção. Para que a refração seja o fenômeno predominante, o meio 2 deve ser transparente, como por exemplo, a água. Fig.1.13: luz refratada, refletida e absorvida na água. Se a incidência for oblíqua, a refração é acompanhada de mudança de direção (fig.1.14a), o que não ocorre se a incidência for perpendicular(fig.1.14b). Fig.1.14: luz refratada na água. (1) (2) s Luz incidente Luz refletida Luz refratada ar água s Raio incidente Raio refratado normal ar água s (a) (b) 18 Observe na figura que, ao passar do ar para a água, o raio luminoso aproximou-se da normal, passando a formar com ela um ângulo menor que aquele que formava no ar. Como na água a velocidade da luz é menor do que no ar, verifica-se que, na refração com incidência oblíqua, o ângulo formado com a normal acompanha a variação de velocidade. Assim, a refração da luz pode ser entendida como a variação de velocidade sofrida pela luz ao mudar de meio. Índice de Refração, Refringência Opticamente, um meio transparente e homogêneo é caracterizado pelo seu índice de refração absoluto. Índice de refração absoluto n de um meio, para determinada luz monocromática, é a relação entre a velocidade da luz no vácuo(c) e a velocidade da luz considerada no meio em questão(v): v c n = ( 20) O índice de refração n é adimensional e maior que a unidade, para qualquer meio material: 1>⇒> nvc ( 21) Note que o índice de refração corresponde a uma comparação entre a velocidade da luz no meio v, e a velocidade da luz no vácuo, c. Assim, n indica quantas vezes a velocidade da luz no vácuo é maior que a velocidade no meio considerado. Para o vácuo e aproximadamente para o ar, o índice de refração é unitário: 1=⇒= nvc ( 22) O índice de refração de um meio material depende do tipo de luz que se propaga, apresentando valor máximo para a luz violeta e mínimo para a luz vermelha. 19 Para indicar entre dois meios aquele que tem maior ou menor índice de refração, é comum usarmos o termo refringência. Assim, o meio que possui maior índice de refração é o que apresenta maior refringência (mais refringente). Quando dois meios apresentam a mesma refringência (mesmo índice de refração), um é invisível em relação ao outro. Diz-se que entre esses meios há continuidade óptica. Tabela 1: índices de refração de algumas substâncias; referentes ao comprimento de onda da luz amarela do Sódio (Na) 3 4 5�6fi798;:9< = Meio Índice de refração Vácuo 1,000 (exato) Água (20°C) 1,333 Gelo 1,309 Álcool metílico (CH3OH) 1,329 Acetona 1,357 Hexano 1,427 Tetracloreto de Carbono 1,466 Benzeno 1,500 Cloreto de sódio (NaCl) 1,544 Vidro crown 1,520 Cidro ou cristal denso (flint) 1,660 Perspex 1,495 Quartzo 1,544 Poliestireno 1,550 Nujol (óleo laxante) 1,477 Fluorita (CaF2) 1,434 Safira 1,770 Diamante (C) 2,417 Silício (Si) 3,400 Germânio 5,000 . 20 Principio de Fermat Para deduzir a lei da refração, usando o princípio de Fermat, utilizaremos a figura 1.15, como plano contendo a trajetória da luz perpendicular ao plano que separa as regiões de índices de refração n1 e n2. A luz propaga-se do ponto A na primeira região para um ponto a uma distância desconhecida x da base da perpendicular ao plano de separação entre os dos meios materiais. O comprimento da perpendicular é a. A luz continua o seu caminho na Segunda região até B, que está a um ponto B, situado a uma distância b do plano de separação. De forma similar ao caso da reflexão, existem várias trajetórias possíveis para raio de luz ser refratado ao percorrer por dois meios materiais distintos, como mostra a figura. 1.15. Fig.1.15- Refração da luz ao atravessar dois meios materiais transparentes e distintos O tempo para percorrer do ponto A até B, é igual a soma dos tempos para percorrer de A até a superfície P e de P a B. Como os meios têm índice de refração distintos, a luz terá conseqüentemente velocidades diferentes. Seja estas velocidades no meio 1 e 2, iguais a v1 e v2 respectivamente. Assim, 2 2 1 1 v r v r ttt PBAP +=+= ( 23) Usando a definição de índice de refração para um meio material em relação ao vácuo temos que, A a b x d-x N r1 r2 P d θ2 θ1 θ1 θ2 n1 n2 V 1V 2 B 21 ( )22112211 2 2 1 1 1 rnrn cc rn c rn v r v r t +=+=+= ( 24) Observando a Fig. 1.15, por considerações geométricas tiramos que, 22 1 xar += e ( )222 xdbr −+= ( 25) Portanto o tempo necessário para a luz se propagar ao longo do trajeto A e B é, ( )222221 )(1 xdbnxan c t −+++=( 26) Calculando novamente dt/dx, obtemos ( ) −+ − − + == 22 2 22 1 )(1 xdb xdn xa xn cdx dt ( 27) De acordo como princípio de Fermat a trajetória real a ser percorrida pelo raio de luz será aquela que satisfaz a relação dt/dx = 0. Isto significa que, 22 2 22 1 bx)(d x)(dn xa xn +− − = + ( 28) Usando relações geométricas tiradas da Fig. 1.15, podemos rescrever a equação acima em termos dos ângulos de incidência > 1 e refração > 2, como a seguir, 2211 sensen θ=θ nn ( 29) 1.6 Angulo limite, reflexão total Quando uma luz monocromática se propaga do meio menos refringente para o meio mais refringente, não existe nenhuma restrição à ocorrência de refração. Considere dois meios A e B separados pela superfície S (Fig.1.16) tais que nA < nB o raio. Quando a luz incide normalmente (Fig.1.16a), propagando-se do meio A para o meio B, não ocorre desvio da luz. Ao incidir obliquamente no mesmo sentido (Fig. 1.16b), o raio luminoso se aproxima da normal (r < i). Aumentando se o ângulo de incidência, verifica-se 22 que, à medida que o ângulo de incidência i tende 90° (incidência rasante), o ângulo de refração r tende para um valor máximo L, denominado ângulo limite (Fig. 1.16c). (a) (b) (c) Figura 1.16 – A luz se propaga do meio menos refringente para o mais refringente Aplicando a Lei de Snell-Descartes a esse último caso de refração, obtemos: rnin BA sen.sen. = ( 30) Lnn BA sen.90sen. =° ( 31) Como 190sen =° , temos: B A n n L =sen ( 32) Sendo BA nn < , podemos escrever: maior menor n n L =sen ( 33) Portanto, o seno do ângulo limite L é dado pela relação entre os índices de refração dos meios entre os quais a luz se propaga. O valor do ângulo limite depende, evidentemente, da luz que se propaga e dos meios considerados. Quando uma luz monocromática se propaga do meio mais refringente para o meio menos refringente, nem todo raio luminoso sofre refração. i r i=0° r=0° r=L i=90° A B S SA B SA B 23 Considere os mesmos dois meios A e B da Figura 1.16 ( BA nn < ), mas agora estando a luz a se propagar do meio B para o meio A. Na incidência normal (Fig.1.17a), não há desvio. Na incidência oblíqua (Fig. 1.17b), o raio luminoso se afasta da normal ( ir > ). Se aumentarmos gradativamente o ângulo de incidência i, a última refração r igual a 90° (emergência rasante): se °=⇒= 90rLi . (a) (b) (c) Figura 1.17 – A luz se propaga do meio mais refringente para o menos refringente No entanto, para esse sentido de propagação (do mais refringente para o menos refringente), o ângulo incidente i pode ser maior que o ângulo limite L. Quando isso acontece, não há refração e a luz sofre o fenômeno da reflexão total ou interna. (fig. 1.18) Portanto, para haver reflexão total, há duas condições: sentido de propagação da luz: do meio mais refringente para o menos refringente; ângulo de incidência maior que o ângulo: Li > Ao ocorrer a reflexão total ou interna, nenhuma parcela da luz se refrata. Portanto, esse fenômeno é diferente da reflexão externa que sempre acompanha a refração. A B SA B SSA B r=90° i=Li=0° r=0° i r i SA B i Figura 1.18 – Quando i > L, ocorre reflexão total ou interna 24 Fibras Ópticas Uma Fibra Ótica é um capilar formado por materiais cristalinos e homogêneos, transparentes o bastante para guiar um feixe de luz (visível ou infravermelho) através de um trajeto qualquer. Uma fibra ótica é constituída de material dielétrico, plástico ou de vidro, em forma cilíndrica, transparente e flexível, de dimensões microscópicas comparáveis às de um fio de cabelo. A estrutura básica desses capilares são cilindros concêntricos com determinadas espessuras e com índices de refração tais que permitam o fenômeno da reflexão interna total. O centro (miolo) da fibra é chamado de núcleo e a região externa é chamada de casca. Para que ocorra o fenômeno citado é necessário que o índice de refração do núcleo seja maior que o índice de refração da casca. O mecanismo básico de transmissão da luz ao longo da fibra consiste, em termos da óptica geométrica. A diferença do índice de refração do núcleo com relação à casca é representada pelo perfil de índices da fibra óptica. Essa diferença pode ser conseguida usando-se materiais dielétricos distintos (por exemplo, sílica-plástico, diferentes plásticos, etc.) ou através de dopagens convenientes de materiais semicondutores (por exemplo, GeO , P O , B O , F etc.) na sílica (SiO). A variação de índices de refração pode ser feita de modo gradual ou descontínuo, originando diferentes formatos de perfil de índices. As alternativas quanto ao tipo de material e ao perfil de índices de refração implicam a existência de diferentes tipos de fibras ópticas com características de transmissão, e, portanto, aplicações, distintas. Por exemplo, a capacidade de transmissão, expressa em termos de banda passante, depende essencialmente (além do seu comprimento) da geometria e do perfil de índices da fibra óptica. O tipo de material utilizado, por sua vez, é determinante quanto às freqüências ópticas suportadas e aos níveis de atenuação correspondente. As características mecânicas das fibras ópticas expressam em termos de resistência e flexibilidade, dependem do material dielétrico utilizado e da qualidade dos processos de fabricação. Embora mais resistentes que fios de aço de mesmas dimensões, as fibras ópticas costumam ter a sua estrutura básica protegida das perturbações mecânicas ou ambientais por encapsulamentos ou revestimentos diversos. 25 Figura 1.19: Estrutura básica da fibra O meio ótico proporciona uma transmissão de qualidade, com baixa perda de transmissão e banda passante grande o que significa mais dados enviados sobre distâncias maiores, diminuindo a quantidade de fios, o número de repetidores e conseqüentemente a complexibilidade. Tipos de fibra As fibras ópticas costumam ser classificadas a partir de suas características básicas de transmissão e nas facilidades operacionais em termos de conexões e acoplamento com fontes e detectores luminosos. É possível adotar classificações específicas, como: · Composição material: fibras com o par núcleo-casca do tipo sílica-sílica, sílica- plástico ou plástico-plástico tem propriedades distintas quanto às facilidades operacionais e de fabricação, às perdas de transmissão, à tolerância a temperaturas etc., · Freqüências ópticas de atuação: esta classificação, que inclui, por exemplo, as fibras no infravermelho e as fibras no ultravioleta, refletem o desenvolvimento de fibras ópticas para operar fora da faixa típica (0,7 a 1,6mm) atual em comunicações. · Geometria ou sensibilidade à polarização: além da seção circular típica, as fibras monomodo podem ter um núcleo de seção elíptica com implicações importantes quanto à filtragem e manutenção de polarização. Os Principais tipos são: - Fibra de Índice Degrau (Step Index); - Fibra de Índice Gradual (Graded Index); - Fibra Monomodo 26 Figura 1.20: Tipos de fibras Dentre as vantagens das fibras podemos destacar a baixa atenuação e o fato de serem mais leves quando comparadas aos cabos elétricos 1.7 Desvio angular Vamos ver como fica a trajetória de uma raio de luz quando este atravessa um prisma (fig. 1.21). Um raio incide no primeiro dioptro com um ângulo ? 1, refratando com um ângulo ? 1´; incide no segundo dioptro com um ângulo ? 2, refratando com um ângulo ? 2´. Figura 1.21 - Trajetória de um raio de luz em um prisma (n1)(n2) θ1 δ1 θ'1 δ θ2 θ'2 Α Α δ2 (n2) (n1) N1 N2 27 Observe que o raio emergente não é paralelo ao raio incidente, indicando que sofreu @�ACBfiD.EGFIHKJML�N9O*@�PQLSR T , que é o ângulo que a direção do raio incidente faz com a direção do raio emergente. Vamos demonstrar a expressão que relaciona o desvio angular T com os ângulos de incidência U 1, de emergência U 2 e de abertura ou refringente A. Na fig. 1.19, o ângulo que as normais N1 e N2 fazem entre si é igual ao ângulo A, porque são ângulos de lados respectivamente perpendiculares. Temos que o ângulo A é igual à soma dos internos não adjacentes, ou seja: '' 21 θ+θ=A ( 34) O desvio angular é dado na fig. 1.21 como sendo a soma dos ângulos internos não adjacentes: )´´('' 21212211 θ+θ−θ+θ=θ−θ+θ−θ=δ (35) Sendo assim, temos: A−θ+θ=δ '21 ( 36) Conclusão: O desvio angular é igual à soma dos ângulos de incidência ( V 1) e de emergência ( W 2) menos o ângulo de abertura ou refringente (A). Desvio minímo Figura 1.22: Um raio luminoso sofrendo um desvio mínimo ao atravessar o prisma. θ θθ' θ' Α Α δm 28 O desvio mínimo m é dado pela soma dos ângulos internos não adjacentes ´22'' θ+θ=θ−θ+θ−θ=δm (37) Como '2θ=A , substituindo obtemos: Am −θ=δ 2 (38) Vamos relacionar o índice de refração (n2) com o desvio mínimo ( mδ ) e o ângulo de abertura A. Pela Lei de Snell, temos que: 21 ´sen sen n= θ θ (39) Da equação 38, temos: δ+ =θ 2 mA (40) Na fig. 1.22, o ângulo A é igual à soma dos internos não adjacentes, ou seja: 2 ´´2 AA =θ⇒θ= (41) Substituindo as equações 40 e 41 na equação 39 e sendo o meio 1 o ar (n1), obtemos: ( ) 2 sen 2 sen 2 A A n m δ+ (42) Esse resultado sugere um método para medir o índice de refração, determinando o desvio mínimo experimentalmente, mδ , e medindo o ângulo de abertura, A. 29 1.8 Lâmina de faces paralelas A lâmina de faces paralelas é constituída de dois dioptros (D1 e D2) planos paralelos e é usada para deslocar o raio de luz de uma posição para uma nova posição sofrendo um desvio lateral d , sem mudar a direção do raio de luz (fig.1.23). Vamos ver como fica a trajetória de um raio de luz ao atravessar um lâmina de faces paralelas (fig. 1.23). Nesse caso a lâmina é uma placa de vidro imersa no ar, constituindo os dioptros ar / vidro e vidro / ar. Figura 1.23: Trajetória de um raio atravessando uma lâmina de faces paralelas. Vamos demonstrar que o raio emergente é paralelo ao raio incidente em uma lâmina XfiY�ZG[]\&Y.^�_I[S`a[�bQY&bQ[.^dcIe*fg^aYGhd[#i 1 j i '2. Aplicando a Lei de Snell Descartes para o dioptro ar / vidro, temos: 1 2 2 1 sen sen n n = θ θ ( 43) Aplicando a Lei de Snell Descartes para o dioptro vidro / ar, temos 2 1 2 1 ´sen ´sen n n = θ θ ( 44) Igualando as equações, temos: s θ1 θ2 k d e d n1 (ar) B C A θ2´ Raio incidente Raio emergente n1 (ar) n1 (vidro) θ1´ N1 N2 30 ´sen ´sen sen sen 1 2 2 1 θ θ = θ θ ( 45) lnmpo;mrq 2 s q 1 ´ (ângulos alternos e internos não adjacentes), para o primeiro quadrante, temos: ´sensen 21 θ=θ ( 46) Sendo assim, obtemos: ´sensen 12 θ=θ ( 47) e para o primeiro quadrante: q 1 s q '2. ( 48) Conclusão: O ângulo ( t 1) que é o raio incide no primeiro dioptro é igual ao ângulo ( t u 2) que é o raio emerge no segundo dioptro, ou seja o raio emergente é paralelo ao raio incidente quando os meios de incidência e de emergência são iguais. Para calcularmos o desvio do feixe emergente em relação ao feixe incidente, iremos analisar separadamente o triângulo ABC: Figura 1.24: triângulo ABC v d C A θ1´ 31 Observando a Fig. 1.24, por considerações geométricas tiramos que, 2 1 cos cos θ =⇒=θ eAC AC e ( 49) e α =⇒=α sen sen eAC AC d ( 50) Igualando as equações 49 e 50, temos: 22 cos sen sencos θ α =⇒ α = θ edde ( 51) Por considerações geométricas, sabemos que, 2121 θ−θ=α⇒θ+α=θ ( 52) Sendo assim, temos: 2 21 cos )sen( θ θ−θ = ed ( 53) 32 Capitulo 2: Espelhos esféricos 2.1 Obtenção de espelhos esféricos côncavos e convexos Você já observou como é um holofote? Ele é constituído de um espelho esférico e a lâmpada está situada em um ponto tal que os raios refletem paralelos ao eixo principal do espelho. Vamos ver como que acontece essa reflexão. Considere uma esfera de raio R cortada por um plano longitudinal (fig. 2.1a). Dessa forma você obtém uma calota esférica. Quando a superfície interna for a refletora, tem-se um espelho esférico côncavo de raio R (fig. 2.1b), e quando a superfície externa for a refletora, tem-se um espelho esférico convexo de raio R. Figura 2.1- a) Obtenção da calota esférica; b) Espelho esférico côncavo; c) Espelho esférico convexo Elementos de um espelho esférico Figura 2.2 - Elementos de um espelho esférico: a) côncavo; b) convexo w xzy|{ }~| z. pŁ G Q QG Q G G ¢¡ £ ¤¥ 33 Os elementos de um espelho esférico (fig.2.2) são: C ¦ centro de curvatura (centro da esfera que originou o espelho) V § vértice do espelho (pólo da calota) Eixo principal do espelho § reta que passa por CV R § raio de curvatura do espelho (raio da esfera que originou o espelho) F § foco do espelho Para determinarmos a localização do foco do espelho basta considerarmos raios que incidam no espelho provenientes de um objeto situado no infinito. Estes raios são paralelos e, quando refletem (lei da reflexão), passam pelo foco. Observe que o foco para espelho esférico convexo (fig. 2.2b) é obtido na intersecção dos prolongamentos dos raios refletidos com o eixo principal. Fisicamente o foco seria onde estaria localizada a imagem de um objeto situado no infinito. Geometricamente podemos verificar que a distância focal (f =FV) é igual à metade do raio de curvatura (R = CV). 2 Rf = (54) 2.2 Construção de imagens em espelhos esféricos São utilizados quatro raios básicos para a construção de imagens 1) Raio que incide paralelo ao eixo principal, reflete passando pelo foco. 2) Raio que incide passando pelo foco, reflete paralelo ao eixo principal. 3) Raio que incide passando pelo centro de curvatura, reflete sobre si mesmo. 4) Raio que incide sobre o vértice formando um ângulo ( ¨ ©dª*«d¬S®Q¬°¯±¬#²&³fi´µ³¶´·¬*¸d´·³º¹S»9¼*½�®¾³º¿GÀ¢© Á Â Ã Ä Å*Æ ÇÈÆ É Ê Ë Ì Í Î Ï Ð Í ÑdÒÔÓ Õ Ö × Ø Õ Ø × Ö Ù Ú*Û ÜÈÛ Ý Þ Ü Ú ßàâá Figura 2.3 Construção de imagens:a) espelho esférico côncavo;b) espelho esférico convexo 34 Vamos construir a imagem fornecida por um espelho côncavo colocando o objeto em diversas posições: Objeto sobre o centro de curvatura (C) Figura 2.4. - Objeto sobre o centro de curvatura. Objeto entre o centro de curvatura (C) e o foco (F) Figura 2.5 : Objeto entre o centro de curvatura (C) e foco (F) Natureza ãåädæ]çSè Orientação ã é1ê*ëpìSíî±éKïfið Tamanho ñ ò!ó*ô|õ&öIõ&÷ºøfi÷¶÷*ùûúdü°ý±÷ Posição þ ß±÷ ù � ü�÷��&ü��.ý � ÷·øfiü curvatura Natureza þ � ü]õSö Orientação þ ò����pü � ý±òKøfiõ Tamanho þ � �� ��������� � ��fifffl��ffi Posição ! �" ffi �$#�%� �&'� " ffi(�) �%*� curvatura + , - - . / 0 132 465 7 8 9 :; < = > ? @ A B CED FHG I F J 35 Objeto sobre o foco (F) Figura 2.6: Objeto sobre o foco (F) Objeto entre o foco (F) e o vértice (V) Figura 2.7 - Objeto entre o foco (F) e o vértice (V) Observação: Nesta situação o espelho esférico côncavo funciona como espelho de aumento. 2.3 Determinação analítica das características das imagens Equação de Gauss A equação de Gauss (Carl Friedrich Gauss ) relaciona a distância objeto (p), a distância imagem (q) e a distância focal (f). É dada pela expressão: fqp 111 =+ (55) Natureza KMLONQP(R3S�TVU Orientação KXW�NQPflY'NZR T Tamanho K [�T'N�\*P^]�S�Y_\`W�\ objeto Posição K a*b�c*d*egf�a*d^hOi�j(k(e�l'b mon m p q q r s r t u v w x y z { z y | } ~3 ~ Natureza � �*fl**)Ł Posição �*H�OZ 36 Vamos demonstrar a equação de Gauss: Figura 2.8 - Construção da imagem fornecida por um espelho esférico côncavo Da fig 3.10 temos: OV = p distância objeto IV = q distância imagem FV = f distância focal IF = q - f OO' = o tamanho objeto II' = i tamanho imagem Os triângulos O'OV e I'I V (fig.2.8) são semelhantes porque possuem dois ângulos iguais. Como são semelhantes, os seus lados são proporcionais: II' / OO'= q / p, que é a equação da ampliação: p q o iA −== (56) Nas condições de nitidez de Gauss, que são válidas para espelhos de pequena abertura (6o), a parte curva DV do espelho se aproxima de uma superfície plana. OO' = DV Os triângulos FCI' e FVD são semelhantes porque possuem ângulos opostos pelo vértice iguais e ângulos que são retos. Da semelhança dos triângulos temos que seus lados são proporcionais: * ¡ ¢¤£�¥ 37 f fq o i )( − = − (57) Comparando com a equação da ampliação (55), obtemos: fqfpqpf q f fq =−⇒= − )( (58) Dividindo os dois membros por (p q f), obtemos: pqf 111 =− (59) Obtendo finalmente a equação de Gauss: fqp 111 =+ (60) Referencial de Gauss - Convenção O referencial de Gauss será o vértice do espelho ou seja as distâncias imagem, objeto e focal serão medidas a partir do vértice. Convenção: As distâncias medidas a favor da luz incidente serão positivas e contra negativas. Esta convenção é válida para espelhos esféricos côncavos e convexos Figura 2.9: Convenção:a) espelhos côncavos; b) espelhos convexos De uma forma geral temos: - Raios de curvatura e distâncias focais de espelho côncavo são positivos e de espelhos convexos negativos. - Distâncias de objetos e imagens reais são positivas e de objetos e imagens virtuais negativas. - Imagem direita é positiva e invertida negativa. ¦�§(¨ © ª « ¦¬fl¨ « ª © ®�¯fi° ±$²fi³ ´ ²fi³ µ�¶fi· ¸º¹¼» ½ ¹'» ¸�¾fi» ½fl¾fi» ¿ ¹¼» À ¹¼» ½)¹¼» ¸º¹¼» ÁÃÂÅÄOÆQÇ(È)É Ê)˺Ç3ÌË ÁÃÂ)ÄOÆÍÇ(È)É Ê)˺Ç3ÌË 38 Resumo dos Capítulos 1 e 2 Um meio óptico, conforme permita a propagação da luz com maior ou menor facilidade, é classificado por meio transparente, meio translúcido ou meio opaco. Os princípios da óptica geométrica são três: 1° principio de propagação retilínea da luz; 2° principio da reversibilidade; 3° princípio da independência dos raios luminosos. Reflexão é o fenômeno no qual a luz, ao incidir numa superfície, retorna ao meio em que estava se propagando. Na reflexão regular a luz ao retornar ao meio de origem mantém o paralelismo de seus raios; já na reflexão difusa não ocorre o paralelismo dos raios refletidos que por sua vez se espalham em todas as direções. A reflexão da luz é regida pelas leis: 1ª lei: O raio refletido, a normal e o raio incidente estão situados no mesmo plano. 2ª lei: O ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência 21 θ=θ Ponto-objeto: é definido pelo feixe luminoso incidente no sistema; Ponto-imagem é definido pelo feixe emergente do sistema. Ambos podem ser: Ponto real: Interseção efetiva de raios luminosos; Ponto virtual: Interseção de prolongamentos de raios luminosos Translação de espelho plano: Para um dado ponto objeto fixo, o deslocamento da imagem conjugada por um espelho plano em translação (dI) é o dobro do deslocamento de espelho (dE)e se efetua no mesmo sentido deste. Ou seja: dI = 2.dE Rotação de espelho plano: Para um raio incidente fixo, o ângulo de giro do raio refletido (βr) é o dobro do ângulo de giro do espelho (αE) e se verifica no mesmo sentido deste. Ou seja βr = 2. αE Refração: a refração é o fenômeno no qual a luz muda de propagação, com mudanças em sua velocidade. Indíce de refração absoluto: é a relação entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz em questão no meio. Ou seja: vcn = . Lei de Snell-Descartes: 2211 sensen θ=θ nn Ângulo limite (L): é o valor do ângulo de incidência ao qual corresponde uma emergência rasante (por 90°), quando a luz se propaga do meio mais refringente ao meio menos refringente. Temos que: maiormenor nnL =sen . Se o ângulo de incidência for maior que o ângulo limite ocorrera o fenômeno de reflexão total 39 O desvio angular é igual à soma dos ângulos de incidência ( Î 1) e de emergência ( Î 2) menos o ângulo de abertura ou refringente (A). A−θ+θ=δ '21 . Já o desvio minimo é calculado pela expressão: Am −θ=δ 2 . Relacionando o índice de refração (n2) com o desvio mínimo ( mδ ) e o ângulo de abertura A, temos: ( ) 2 sen 2 sen 2 A A n m δ+ Laminas de faces paralelas: O ângulo ( Î 1) que é o raio incide no primeiro dioptro é igual ao ângulo ( Î Ï 2) que é o raio emerge no segundo dioptro, ou seja o raio emergente é paralelo ao raio incidente quando os meios de incidência e de emergência são iguais: Ð 1 ÑÓÒ '2. Para calcularmos o desvio do feixe emergente em relação ao feixe incidente, temos: 2 21 cos )sen( θ θ−θ = ed Os espelhos esféricos podem ser côncavo (superfície refletora é interna) e convexo (superfície refletora é externa). Nos espelhos de Gauss, o raio de curvatura R é o dobro da distância focal f (R=2f), valendo as expressões: fqp 111 =+ e p q o iA −== São utilizados quatro raios básicos para a construção de imagens 1) Raio que incide paralelo ao eixo principal, reflete passando pelo foco. 2) Raio que incide passando pelo foco, reflete paralelo ao eixo principal. 3) Raio que incide passando pelo centro de curvatura, reflete sobre si mesmo. 4) Raio que incide sobre o vértice formando um ângulo ( Ò$ÔflÕ�Öfl×�Ø(ÙŁ×ÛÚ ×�Ü'Ý*ÞßÝ^Þ�×�àflÞ�Ýâá�ãä�åoÙÍÝâæ)Ò$Ô Referencial de Gauss – Convenção: Convenção: As distâncias medidas a favor da luz incidente serão positivas e contra negativas. Esta convenção é válida para espelhos esféricos côncavos e convexos ç�è(é ê ë ì çíflé ì ë ê î�ïfið ñ ïfið ò ïfið ó ïfið óºô ð ò ô ð ó ïfið ò ïfið î ô ð ñ ô ð ò)ô ð óºô ð õÃöÅ÷OøQù(ú)û ü)ýºù3þý õÃö)÷OøÍù(ú)û ü)ýºù3þý 40 Exercícios: Capitulo1 e 2 1. Um raio de luz monocromática propaga-se no ar (meio 1) e atinge a superfície plana da água (meio 2) sob angulo de incidência θ1 igual a 45°. Admitindo que o índice de refração da água vale 2 para a citada luz pedem-se: a) o ângulo de refração; b) o desvio experimentado pelo raio, ao se refratar; c) uma figura em que compareçam o raio incidente, o raio refletido e o raio refratado. 2. Um prisma de abertura °= 70A e índice refração igual a 2 , imerso no ar, recebe um estreito pincel cilíndrico de luz monocromática sob ângulo de incidência 1θ igual a 45°, como mostra a figura. Determinar: a) o desvio do pincel na primeira refração;b) o desvio do pincel na segunda refração; c) o desvio total. 3. Um raio de luz de freqüência igual a 6,0.1014Hz passa do vácuo para um meio material transparente, como ilustra a figura. θ1 = 45° (2) (2)(1) (1) 41 Sabendo-se que 8,0sen 1 =θ ; 6,0sen 2 =θ e que a velocidade da luz no vácuo é v1=300 000Km/s, determinar: a) a velocidade da luz no meio material (v2); b) o índice de refração absoluto no meio material; c) o comprimento de onda dessa luz no vácuo ( 1λ ) e no meio material ( 2λ ) 4. Um raio de luz branca incide sob angulo de 30° num prisma de ângulo de refringência A=45°; imerso no ar. Calcular o ângulo α entre os raios vermelhos e violetas emergentes do prisma, sabendo-se que os índices de refração do vidro do prisma para a luz vermelha e violeta vale, respectivamente, 1,62 e 1,67 5. Índice de refração no olho. O comprimento de onda da luz vermelha emitida por um laser de hélio- neonio é igual a 633nm no ar, porem no humor aquoso no interior do globo ocular o comprimento de onda é igual a 474 nm. Calcule o índice de refração do humor aquoso e a velocidade e a freqüência da luz nesse líquido. 6. Um feixe de luz se desloca no quartzo com velocidade sm /1094,1 8× . O comprimento de onda da luz no quartzo é igual a 355 nm. a) Qual o índice de refração do quartzo para esse comprimento de onda? b) Se essa mesma luz se propagasse no ar, qual seria seu comprimento de onda? 7. A velocidade do som no ar é igual a 344m/s, na água, é 1320 m/s. a) Qual dos dois meios possui o maio “índice de refração” para a propagação do som? b) Qual seria o ângulo crítico para uma onda sonora incidente na interface entre o ar e a água? ß���������� ��� ����� ����� �������ff��fi � �ffifl � ����� �"! # θ 1 θ 2 42 c) Para que ocorra a reflexão interna total, a onda sonora deve incidir do ar para a água ou da água para o ar? 8. Suponha que olhe ao longo da periferia de um recipiente de vidro com paredes verticais de modo que o ponto do topo da periferia fica alinhado com o fundo da extremidade aposta (Figura 34.34a). O recipiente é um cilindro oco com paredes finas de altura de 16,0 cm com diâmetro superior e inferior de 8,0 cm. Enquanto você mantém seus olhos fixos na mesma posição, um amigo enche o recipiente com um líquido transparente e a seguir você observa uma moeda de um centavo que está no centro do recipiente (Figura 34.34b). Qual o índice de refração do líquido? 9. Imagem formada por um espelho côncavo I. O filamento de uma lâmpada de lanterna está a uma distância de 10,0 cm em frente a um espelho côncavo que forma uma imagem sobre uma parede situada a uma distância de 3,0 m do espelho (Figura abaixo) a) Qual é o raio de curvatura e a distância focal do espelho? b) Qual é a altura da imagem sabendo que a altura do objeto é de 5,00 mm? 10. Formação da imagem usando uma lente divergente. Você dispõe de uma lente delgada divergente e verifica que os raios paralelos incidentes são espalhados depois de passar pela lente, dando a impressão de que emanam de um ponto situado a uma distância de 20,00 cm do centro da lente. Você deseja usar essa lente para formar uma imagem virtual ereta com altura igual a 1/3 da altura do objeto. a) Onde o objeto deve ser colocado? b) Faça um diagrama dos raios principais. 3,0 m 5,0 mm 43 Capitulo 3: Lentes As lentes estão presentes no nosso dia a dia. Temos lentes nos óculos, na máquina fotográfica, na luneta, no telescópio, no microscópio e em outros instrumentos óticos. O que é uma lente esférica? É um sistema constituído de dois dioptros esféricos ou um dioptro esférico e um plano, nos quais a luz sofre duas refrações consecutivas. 3.1 Classificação das lentes Quanto à forma das lentes Temos seis tipos de lentes: Figura 3.1: Tipos de lentes. Observe que as lentes são denominadas côncavas ou convexas, conforme se apresentam para o observador. A denominação de uma lente é realizada, indicando em primeiro lugar a natureza da face menos curva, ou seja, aquela que se apresenta com maior raio de curvatura. Por exemplo, na lente côncavo - convexa, a face côncava apresenta maior raio de curvatura (fig. 3.1). Quanto ao comportamento ótico As lentes podem ser convergentes ou divergentes, quanto ao comportamento ótico. -Lente convergente / focos Quando um feixe de raios paralelos ao eixo principal, incide sobre uma lente convergente, emerge convergindo os raios de luz para um ponto denominado foco imagem F' (fig. 3.2a). $ % & ' ( ) 44 A distância do foco F' à lente é a distância focal imagem f'. Fisicamente o foco imagem F' significa o ponto onde está localizada a imagem de um objeto situado no infinito. Como a lente é constituída de dois dioptros, há um segundo foco que é denominado foco objeto F (fig. 3.2b). A distância do foco objeto F à lente é a distância focal objeto f. Esta distância f é simétrica à distância focal f'. Fisicamente o foco objeto F significa o ponto onde está localizado o objeto de uma imagem no infinito. Como os focos são reais, as distâncias focais objeto f e imagem f' serão consideradas positivas para lentes convergentes. São lentes convergentes as lentes biconvexa, plano - convexa e côncavo - convexa (lentes 1, 2 e 3 da fig. 3.1). Figura 3.2: Lente convergente: a) Foco imagem F'; b) Foco objeto -Lente divergente / focos Quando um feixe de raios de luz, paralelos ao eixo principal, incide em uma lente divergente, ele emerge divergindo os raios de luz. Prolongando os raios divergentes, estes se interceptam no ponto F' denominado foco imagem da lente (fig. 3.3a). O foco objeto F da lente divergente é obtido pelo prolongamento dos raios incidentes (fig. 3.3b). O significado físico desses focos são os mesmos para lentes convergentes. Figura 3.3: Lente divergente: a) Foco imagem F' ; b)Foco objeto F. *,+ff-/.1032 465 738:9 ; ; <ff=1> ? @/ACB1DFE�A G�H I J K L6MON P QSRFTVU�WYX Z [Y\"] ^`_�\ a 45 São lentes divergentes: as lentes bicôncava, plano - côncava e convexo - côncava (lentes 4, 5 e 6 da fig. 3.1) Na prática reconhecemos se uma lente é divergente ou convergente do seguinte modo: quando o bordo da lente tem menor espessura que a região central da lente é uma lente convergente; quando o bordo da lente tem maior espessura que a região central, é uma lente divergente. Observação: Quando a lente é imersa em um meio mais refringente, a lente divergente se torna convergente e vice-versa. 3.2 Elementos de uma lente esférica Figura 3.4: Elementos de uma lente Vergência de uma lente Se você observar uma receita de óculos você lerá as medidas, por exemplo, + 5 di ou - 5di e assim por diante. O que significam estas medidas? Estas medidas indicam as vergências das lentes. A vergência V de uma lente é uma grandeza que corresponde ao inverso da distância focal da lente: fV 1 = (61) D1 b dioptro de incidência D2 c dioptro de emergência C1 e C2 c centros de curvatura das faces R1 e R2 c raios de curvatura das faces V1 e V2 c vértices das faces e c espessura da lente que é igual à distância entre V1 e V2 C c centro ótico da lente Eixo principal c reta que passa pelos centros de curvatura C1 e C2 d d e f g h i j k l m l n o n p n q n r n s tvu wffix y�z6{ | }~{ ` 46 A unidade de medida usual é a dioptria (di) que corresponde ao inverso do metro (m-1). Quando a lente é divergente a distância focal é negativa, portanto, a vergência também será negativa. Quando a lente for convergente, a vergência será positiva. Uma vergência de + 5 di significa que a lente a ser usada é uma lente convergente com uma distância focal 0,2 m ou 20 cm. Uma vergência de - 5 di significa que a lente a ser usada é uma lente divergente com uma distância focal de 0,2 m ou 20 cm. 3.3 Refração em uma superfícieesférica Consideremos dois meios transparentes, com os índices de refração n1 e n2, sendo a fronteira entre os dois meios uma superfície esférica de raio R (figura 3.5). Vamos admitir que o objeto seja o ponto O no meio do índice de refração n1. Além disso, vamos considerar raios paraxiais que partem de O fazendo pequenos ângulos com o eixo e também uns com os outros. Conforme veremos, todos estes raios, que se originam no ponto objeto, serão refratados na superfície esférica e localizados num único ponto I, o ponto imagem. Figura 3.5: Imagem formada por refração numa superfície esférica Vamos analisar a construção geométrica da figura 3.6, que mostra um único raio partindo do ponto O e passando no ponto I. Ł 47 Figura 3.6: Geometria para dedução da equação 63 A lei de Snell dá para este raio refratado 2211 sensen θ=θ nn Uma vez que, por hipótese, os ângulos 1 2 são pequenos, podemos usar as aproximações sen 1 1 �` 2 2 (com os ângulos em radianos). Então a lei de Snell fica: 2211 θ=θ nn Agora usamos o teorema “ o angulo externo de um triângulo qualquer é igual a soma dos angulos internos não adjacentes ao a lado oposto”. Assim nos triângulos OPC e PIC, na fig.3.6, temos: γ+θ=β β+α=θ 2 1 Se combinarmos as três ultimas igualdades e eliminarmos 1 2, encontramos β−=γ+α )( 1221 nnnn (62) Ainda com a aproximação dos pequenos ângulos, tang. ¡ ¢£¢�¤�¥ ão podemos escrever as relações aproximadas , p d =α R d =β p d =γ onde d é a distância assinalada na fig.3.6. Se levarmos esta igualdade na equação 62 e dividirmos por d, teremos: ( ) R nn q n p n 1221 − =+ (63) ¦ § ¨ © ¨ ª « ¬ γ θ1 α θ2 β d ® 48 3.4 Equação dos fabricantes de lentes (Equação de Halley) Figura 3.7: Desenho esquemático para dedução da Equação de Halley A idéia essencial para localizar a imagem final de uma lente é usar a imagem formada por uma superfície refratora como o objeto de uma segunda superfície refratora. Consideremos uma lente com índice de refração n e limitada por duas superfícies esféricas de raios de curvatura R1 e R2, como demostra a fig 3.7 .Um objeto é colocado no ponto O a uma distância q em frente da primeira superfície refratora. Neste exemplo q foi escolhido de modo a tornar-se uma imagem virtual I1, localizada à esquerda da lente. Esta imagem é usada como o objeto da segunda superfície, de raio R2, o que nos leva à formação de uma imagem real I2. A equação 63 nos fornece que: ( ) R nn q n p n 1221 − =+ (63 Adotando n1=1, encontramos que a imagem formada pela primeira superfície obedece a equação: ( ) 1 1 ´ 1 R n p n q − =+ (64) Agora, usamos a equação 63 para a segunda superfície, tomando n1=n e n2=1. Isto é a luz se aproxima da segunda superfície refratora como se partisse da imagem, I1, formada pela primeira superfície refratora. Tomando q´ como a distância do objeto e p como a distância da imagem, ambas à segunda superfície, obtemos: ( ) 2 11 ´ R n pq n − =+ (65) ¯ ° ¯ ± ² ³~´ µ µ�¶ · ¸ ¹ º ¹ » ¼ ¼ ½ ¾À¿ 49 Porém, q´= - p´ + t, onde t é a espessura da lente. (vale ressaltar que p´ é um numero negativo e que q´ tem que ser positiva, pela convenção de sinais). No caso de uma lente delgada, podemos desprezar t. Com esta aproximação e pela figura 3.7, vemos que q´= - p´. Portanto a equação 65 fica: ( ) 2 11 ´ R n pp n − =+ − (66) Somando as equações 64 e 66, encontramos a equação do fabricante de lentes: −−=+ 21 11)1(11 RR n pq (67) 3.5 Construção de imagens em lentes esféricas São utilizados três raios para a construção de imagens Raio 1: Raio que incide paralelo ao eixo principal refrata passando pelo foco imagem F'. Raio 2: Raio que incide passando pelo centro ótico da lente C, não sofre desvio. Raio 3: Raio que incide passando pelo foco objeto F, refrata paralelo ao eixo principal Figura 3.8a: Construção de imagens em lente uma lente convergente Figura 3.8b: Construção de imagens em lente uma lente convergente Natureza Á Â�ÃÅÄ�Æ Orientação Ç ÈÊÉÌËÎÍ�ÏÑÐ:ÈffÒ�Ó Tamanho Ô Õ×ÖffiØffÙ�ÚÜÛ,ÝßÞàÙáÌÙ objeto â ãåä æ ç ç è é ê ë ì íSî ï í ð ñ ò�ó ô õ ö ÷ ÷ ø ù ú û ü ýßþ � þ ý � Natureza ������� ��� �� Orientação ������������ ��ff�fi Tamanho � flffi��� ���"!#���$�%��� objeto 50 A situação apresentada na fig. 3.8a para uma lente convergente é o esquema de um projetor de filmes ou slides. Para uma lente divergente (fig. 3.8 b) a imagem é formada no prolongamento dos raios refratados. As características das imagens obtidas de uma lente divergente para qualquer posição de um objeto real são sempre as mesmas, ou seja, virtual, menor que o do objeto e direita. Vamos construir as imagens obtidas de uma lente convergente para outras posições do objeto. Objeto situado entre o foco e o vértice Figura 3.9:Construção da imagem fornecida de um objeto situado entre o foco F e o centro ótico C. Nessa situação, a lente convergente está funcionado como uma lente de aumento, ou seja, uma lupa. Objeto sobre a dupla distância focal Figura 3.10: Construção da imagem fornecida de um objeto situado sobre a dupla distância focal Natureza &�'�(�) *�+�,�- Orientação &/.�(�)102(3*�, Tamanho & 4$,2(ff5fi)76#+�0859.�5 objeto Natureza &:)10;,�- Orientação &�(�<�'�0�)�*�(ff.fi, Tamanho & =�>�?�@2AB@;C DfiC objeto E2F G H I J K1L MON P M Q R S T UWV X Y Z Z [ \�] \ ^_] `badcfe 51 A situação da fig.3.10 representa o esquema de uma máquina copiadora (xerográfica) sem ampliação. Objeto situado além da dupla distância focal Figura 3.11:Construção da imagem de um objeto situado além da dupla distância focal A situação apresentada na fig.3.11 é o esquema da formação de uma imagem em uma máquina fotográfica. Natureza g:h1i;j�k Orientação g�l�m�n�i�h�o�lffpfij Tamanho g qffii�m r�h"s#t�i$r%p�r objeto u;v�w1x y1z { {}| ~ ~ 52 3.6 Determinação analítica das características das imagens • Equação de Gauss para lentes esféricas A equação de Gauss para lentes esféricas é a mesma que para espelhos esféricos. Relaciona a distância focal f com a distância imagem q e a distância objeto p. fqp 111 =+ (68) Vamos demonstrar esta equação para uma lente convergente Figura 3.12: Demonstração da equação de Gauss para uma lente convergente Os triângulos O'M1M2 e FCM2 são semelhantes, portanto, seus lados são proporcionais: 21 2 MM CM p f = (69) Os triângulos I'M2M1 e F'CM1 são também semelhantes, portanto, seus lados são proporcionais: 21 1 MM CM q f = (70) Somando as equações 69 e 70, obtemos: 21 )12( MM CMCM q f p f + =+ (71) Como (CM2 + M1C) = M1M2, temos: Ł 1 � 53 21 21 MM MM q f p f =+ 111 = + qp f (72) Observação: A equação da ampliação para lentes é a mesma que obtivemos para espelhos esféricos. p qA −= (73) • Convenção - Referencial de Gauss O referencial de Gauss será o centro ótico da lente delgada, ou seja, as distâncias imagens e objeto serão medidas a partir do centro ótico. Figura 3.13: Convenção: a)Lentes convergentes; b)Lentes divergentes. -Convenção: De uma forma geral temos (fig. 6.10): • Distâncias focais de lentes convergentes sãopositivas e de divergentes negativas; • Distâncias de objetos e imagens reais são positivas e de objetos e imagens virtuais são negativas; • Imagem direita é positiva e imagem invertida, negativa. fi71 fi¡2¢¤£fi¥ b¦§¥ fi71 fi¡2¢¤£fi¥ b¦§¥ ¨ª©¬« ¯®¬° ±1²¬³ ´�µ ³ ¶ ²¬³ ±·²¸³ ¶ ²¬³ ´ªµ ³ ± µ ³ ´ªµ ³ ¶ ²¬³ ± µ ³ ¹ º�» ¼1½fi¾ ¿�À ¿ ÁÃÂbÄ 54 Capitulo 4: Olho humano Os olhos humanos, assim como da maioria dos animais predadores, estão localizados na parte frontal da cabeça. Os dois olhos, trabalhando em conjunto, fornecem ao cérebro uma quantidade significativa de informações essenciais: ambos vêem um objeto mais ou menos na mesma altura, mas a partir de dois pontos diferentes, em ângulos ligeiramente distintos. Essas duas imagens separadas são enviadas ao cérebro, que as junta em uma só e percebe o objeto em 3 dimensões. Os dois olhos trabalhando em conjunto oferecem uma visão muito mais acurada do que um olho trabalhando sozinho. A perda temporária da visão em um dos olhos leva à dificuldade para avaliar a distância exata dos objetos, porém, se a perda for permanente, o cérebro pode adaptar-se após certo tempo e a visão tornar-se quase normal. 4.1 Anatomia do olho humano A figura 4.1, apresenta os órgãos responsáveis pela formação da imagem, estas estruturas serão descritas a seguir. Figura 4.1: Estrutura interna do olho 55 Estruturas externas Córnea A córnea é parte da camada externa do olho e equivale ao vidro de um relógio; Apresenta as seguintes funções: • Transmissão e refração da luz. Funciona como uma lente que, associada ao cristalino, compõe o sistema óptico responsável por focalizar as imagens na retina; • Proteção da parte anterior do globo ocular. Conjuntiva A conjuntiva é uma membrana transparente e delgada que recobre a parte branca do olho e internamente as pálpebras. Tem como função a defesa da superfície ocular contra agentes externos e a manutenção da lubrificação ocular. Íris Além de dar cor aos olhos – castanho, verde ou azul -, a íris tem a grande função de controlar a intensidade de luz que chega dentro do olho. Isto porque funciona como a abertura de uma máquina fotográfica. A íris tem uma pequena abertura bem no seu centro chamada de pupila, por onde passam os raios luminosos para o interior do globo ocular. O tamanho da pupila é determinado pela contração e relaxamento dos músculos da íris e varia conforme a intensidade da luz: • tornando-se mais dilatada quando há pouca luz (para que mais luz chegue até a retina); • estando mais contraída (fechada) quando há muita luz, para diminuir a intensidade de luz que chega no interior do olho. Esclerótica ou esclera É a "parte branca" que delimita a porção colorida do olho. A esclerótica ou esclera é responsável pela manutenção da forma do olho e pela proteção das estruturas oculares, já que tem uma consistência mais rígida. 56 Cristalino O cristalino tem a importante função de regular o foco dos objetos conforme a distância que eles se situam do olho (como se faz com um binóculo), permitindo a visão precisa de objetos próximos e distantes. Com o passar dos anos, o cristalino perde sua elasticidade e a capacidade de mudar sua forma. Por isso, muitas pessoas a partir dos 40 ou 50 anos necessitam de óculos para perto, especialmente para leitura, com o objetivo de compensar esta perda visual chamada, tecnicamente, de presbiopia. A perda da transparência (opacificação) do cristalino, também freqüente em pessoas idosas, é chamada de catarata e freqüentemente leva à cegueira. Estruturas internas Retina A retina é um tecido fundamental para o funcionamento do olho e trabalha como o filme numa máquina fotográfica: a imagem é focalizada diretamente nela, que reveste os 2/3 posteriores na parte interna do olho. Sua função é receber as imagens, formá-las e enviá-las para o cérebro. As imagens se formam com maior nitidez na mácula, sendo mais precisas ainda na fóvea (região central da mácula). Nervo óptico O nervo óptico é a continuação das células nervosas da retina. Sua função é levar as imagens captadas na retina para o cérebro para formar a visão. O filme lacrimal O filme lacrimal, também conhecido como lágrima, é o mecanismo natural do organismo para proteger a superfície ocular contra infecções e contra os efeitos corrosivos da sujeira, poeira e outras partículas aéreas. Elas ajudam a criar uma superfície regular, de forma que a visão permaneça clara e sem distorções, proporcionando uma sensação de conforto nos olhos. As lágrimas fornecem uma superfície úmida e lubrificada, que se mantêm sobre o epitélio corneano. 57 O filme lacrimal é composto por três camadas: • A camada mais externa, oleosa, previne a evaporação excessiva da lágrima; • A camada do meio, aquosa, mantém o olho umidificado; • A camada interna mucosa forma a ligação entre o filme lacrimal e o epitélio corneano. Funções das lágrimas • Fazer da córnea uma superfície óptica, lisa e regular, favorecendo a precisão da visão; • Umedecer a córnea e a conjuntiva; • Inibir o desenvolvimento de microorganismos no olho. Uma produção adequada de lágrimas é importante para a manutenção da saúde, do conforto e da capacidade de controle de infecções no olho. A deficiência na produção das lágrimas ou de qualquer um dos elementos componentes no filme lacrimal pode produzir o que se chama de olho seco. 4.2 O olho como sistema óptico O olho humano pode ser analisado através de um modelo simples, que equivale opticamente aos efeitos produzidos pela córnea, pelo cristalino e pelos humores aquoso e vítreo. Tal sistema é designado por olho reduzido, sendo constituído basicamente por uma lente que representa os diversos meios ópticos que formam o olho e um alvo que representa a retina. Figura 4.2: O olho como sistema óptico. 58 O funcionamento do olho humano é muito semelhante ao funcionamento de uma câmara fotográfica. De um objeto real situado diante da lente L (objetiva), o sistema óptico conjuga uma imagem real sobre um alvo sensível à luz (retina). Figura 4.3: Funcionamento do olho humano comparado a uma máquina fotográfica. Quando o objeto varia a sua distância em relação à lente, a imagem continua a formar-se sobre a retina. Isso é possível devido à ação dos músculos ciliares, que alteram as curvaturas das faces dos cristalino. Este mecanismo de ajuste da imagem sobre a retina é designado por acomodação visual. Graças à acomodação visual, as imagens dos objetos situados a diferentes distâncias situam-se sempre sobre a retina. Quando o objeto se situa muito longe do olho (objeto no infinito - ponto remoto PR), o foco- imagem da lente coincide com a retina. Esta situação corresponde ao estado de repouso do olho, isto é, à ausência de tensão nos músculos ciliares; portanto, o objeto é observado sem esforço visual. Figura 4.4: Ponto remoto do olho humano O ponto remoto é o ponto mais afastado do olho que pode ser visto nitidamente. Para o olho normal, o ponto remoto situa-se no infinito. 59 Se o objeto se aproximar mais e mais do olho, ele pode ser visto com nitidez, devido ao mecanismo de acomodação, até chegar a uma distância em que parece desfocado. A distância mínima, a partir da qual o olho não é capaz de focar nitidamente a imagem sobre a retina, é designada por distância mínima de visão distinta e, nesse caso, a tensão dos músculos ciliares é máxima na acomodação. O ponto mais próximo do olho que pode ser visto nitidamente é designado por ponto próximo PP. O ponto próximo situa-se aproximadamente a 25 cm do olho, para o olho normal (esta distância aumenta com a idade). Figura 4.5: O ponto próximo para um olho normal. Adaptação no escuro A transição da visão diurna - baseada nos cones - para a visão noturna - baseada nos bastonetes -não é instantânea. Tal fenômeno é denominado adaptação no escuro e depende de diversos fatores, entre eles: dilatação das pupilas, regeneração da rodopsina e ajuste funcional da retina, de forma que os bastonetes estejam mais disponíveis para as células ganglionares, uma vez que os bastonetes não são encontrados na fóvea, mas apenas na retina periférica. 60 4. 3: Defeitos visuais Até agora analisamos o princípio de funcionamento do olho humano como sistema óptico, para o caso do olho normal ou emétrope, ou seja, o olho capaz de focar na retina feixes de raios paralelos, sem necessidade de acomodação, isto é, o foco imagem encontra- se na retina. Quando isto não acontece, o olho diz-se amétrope. Miopia A miopia é uma anomalia de visão onde os raios paralelos que provêm do infinito convergem para um ponto antes da retina; isto ocorre devido a uma excessiva convergência do cristalino. O olho míope tem o seu ponto remoto mais próximo do que o olho normal, e não no infinito. A correção da miopia é feita através de lentes divergentes, de modo que, associando ao olho uma lente divergente, a convergência da associação diminui. Figura 4.6: Olho normal, olho míope e olho míope corrigido. A distância da lente divergente ao olho é pequena; podemos então concluir que a distância do ponto remoto ao olho é igual à distância focal da lente divergente, ou seja, o 61 ponto remoto do míope deverá coincidir com o foco- imagem da lente divergente. A finalidade da lente divergente é, pois, fazer com que os raios de luz que incidem no olho pareçam originar-se do ponto remoto PR. O ponto próximo de um olho míope encontra-se mais perto do olho do que no caso de um olho normal. Sem utilização de lentes corretoras, o olho míope não pode ver nitidamente os objetos que se encontram entre o seu ponto remoto e o infinito, mas apenas os que se encontram dentro da sua zona de acomodação. Figura 4. 7: Zona de acomodação do olho míope e do olho normal. Hipermetropia A hipermetropia é uma anomalia de visão onde os raios que provêm de um objeto no infinito formam o seu foco num ponto atrás da retina; isto ocorre devido à pouca convergência do cristalino. Se um hipermétrope observa um objeto no infinito, para que a imagem se forme sobre a retina, ele deve exercer um esforço visual através dos músculos ciliares utilizando, portanto, o mecanismo de acomodação visual. A correção da hipermetropia é feita através de lentes convergentes de modo que, associando ao olho uma lente convergente, a convergência da associação aumenta. O ponto próximo de um hipermétrope encontra-se mais afastado do olho do que no caso de um olho normal. No caso de um objeto (A) colocado a 25 cm do olho, a lente convergente fornece uma imagem (A') situada sobre o ponto próximo do hipermétrope. 62 Figura 4.8: Olho normal, olho hipermétrope e olho hipermétrope corrigido. Presbiopia A presbiopia costuma ocorrer em pessoas de idade avançada (daí esta anomalia ser conhecida por "vista cansada"). O fenômeno consiste num aumento gradual da distância mínima de visão distinta como conseqüência da diminuição da elasticidade do cristalino e dos músculos ciliares. Uma lente convergente corrige o defeito, fazendo com que objetos próximos sejam vistos com nitidez. Deste modo, é comum uma pessoa idosa ter necessidade de usar óculos com lentes bifocais: a parte inferior, de natureza convergente, corrige a presbiopia; a parte superior corrige outro tipo de defeito. Astigmatismo O astigmatismo é uma anomalia de visão caracterizada pela forma não esférica da córnea. O olho astigmático forma sobre a retina as imagens dos objetos sem nitidez 63 ocasionando, portanto, uma visão sombreada dos objetos observados. A correção do astigmatismo é feita através de lentes cilíndricas. Cirurgia com LASER A tecnologia da cirurgia oftalmológica com o laser é relativamente recente, porém já sofreu inúmeros avanços e encontra-se em contínuo aprimoramento. Suas principais indicações são: CIRURGIA REFRATIVA: Usada para atenuar ou corrigir erros refracionais como miopia, hipermetropia e astigmatismo. CIRURGIA TERAPÊUTICA: Usada para corrigir, por exemplo, opacidades na córnea. Existem vários tipos de aparelhos que podem executar algumas ou quase todas as cirurgias que utilizam o laser. A maioria dos aparelhos utiliza o laser no espectro da luz ultravioleta, mas já estão em estudo aparelhos que usam outras faixas, como o infravermelho, por exemplo De um modo resumido, o laser funciona da seguinte maneira: Para correção da miopia, o laser é usado para fazer com que a córnea fique mais plana, retirando tecido da porção central da córnea. Para correção da hipermetropia, o laser é usado para fazer com que a córnea fique mais curva, retirando tecido das porções periféricas da córnea. Já para a correção do astigmatismo, o laser retira tecido corneano em um determinado meridiano. Nas opacidades corneanas, dependendo do caso, o laser tenta retirar o tecido opacificado, fazendo com que a córnea fique mais transparente. 64 Resumo dos Capítulos 3 e 4 Vergência de uma lente: fV 1 = [di] Refração em uma superfície esférica: ( ) R nn q n p n 1221 − =+ Equação dos fabricantes de lentes (Equação de Halley): −−=+ 21 11)1(11 RR n pq Equação de Gauss para lentes esféricas: fqp 111 =+ e p qA −= Convenção: De uma forma geral temos: • Distâncias focais de lentes convergentes são positivas e de divergentes negativas; • Distâncias de objetos e imagens reais são positivas e de objetos e imagens virtuais são negativas; Imagem direita é positiva e imagem invertida, negativa. A acomodação visual é o mecanismo pelo qual o olho humano altera a vergência do cristalino, permitindo a pessoa normal enxergar nitidamente desde uma distância de aproximadamente 25cm. até o infinito. Ponto remoto de um globo ocular é a posição mais afastada que pode ser vista nitidamente, sem esforço de acomodação. Para a pessoa normal está situado no infinito. Ponto próximo de um globo ocular é a posição mais próxima que pode ser vista nitidamente, realizando esforço máximo de acomodação. Na pessoa normal situa-se , convencionalmente, a 25 cm. Ametropias é o nome genérico dos defeitos de visão, nos quais há alteração do intervalo de acomodação, dentro do qual um objeto pode ser visto nitidamente por um observador. As ametropias mais comuns, são: a miopia, a hipermetropia, e a presbiopia. A miopia é corrigida através de lentes divergentes. A correção da hipermetropia e da presbiopia é feita com lentes divergentes. Já a correção do astigmatismo é feita através de lentes esféricas 65 Exercícios dos capítulos 3 e 4 1.) Uma lente divergente de distância focal -20 cm. Um objeto de 2 cm de altura está a 30 cm diante da lente. Localizar a posição da imagem e descreve-la. 2.) Uma lente convergente de distância focal 10 cm, forma a imagem de um objeto colocado a (a) 30 cm, (b) 10 cm e (c) 5 cm diante da lente. Achar a distância da imagem e, em cada caso descrever a imagem. 3.) Uma lente bicôncava tem o índice de refração de 1,5 e os raios de curvatura com os módulos 10cm e 15cm. Achar sua distância focal. 4.) Com uma lente delgada projeta-se, numa tela situada a 100 cm da lente, a imagem real de uma vela com 5 cm de altura é colocada a 10 cm da lente. Determine: a)o tipo de lente e sua distância focal; b)o aumento linear transversal da imagem; c) o tamanho da imagem. 5.) Um objeto real de 6 cm de altura é colocado perpendicularmente ao eixo principal de uma lente divergente de distância focal igual a 150 cm. Estando o objeto a 300 cm do centro óptico da lente, determine: a) a posição e o tamanho da imagem; b) o aumento linear transversal da imagem. 6.) Coloca-se um objeto luminoso de tamanho o a certa distância de um anteparo. Verifica- se que há
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