Relatório de Física Optica

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Universidade Estácio de Sá
Campus: Nova Friburgo
Campus: Nova Friburgo
TURMA: 3026
RELATORIO DE FISICA EXPERIMEMTAL II
EXPERIMENTO 08 – ÓPTICA
 Luan Souza Daudt 201503388999
 		Paulo Lucas da Silva Mineiro 201301472379
 		Luiz Felipe da Silva 201602094462
 Sávio Arduine de Azevedo 201601153007
 		Carlos Roberto Raposo 201602371271
Nova Friburgo, 18 de maio de 2016
Objetivo do experimento:
Verificar propriedades ópticas de espelhos planos e esféricos.
1 - INTRODUÇAO E FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA:
	Óptica é o ramo da física que estuda os fenômenos relacionados à luz. A óptica explica os fenômenos da reflexão, refração, e difração. O estudo da óptica divide-se em duas partes: 
Óptica geométrica: nessa parte são estudados os fenômenos ópticos relacionados às trajetórias seguidas pela luz. Para isso é necessária a noção de raio de luz e as leis que regulamentam o comportamento desses raios. 
Óptica física: é a parte da óptica que estuda os fenômenos ópticos levando-se em conta a teoria sobre a composição da luz. 
Essa parte da física é muito presente no cotidiano, sua aplicação vai desde o uso dos óculos ao uso dos mais eficientes e sofisticados equipamentos utilizados para pesquisas científicas como, por exemplo, os aparelhos de telescópio e microscópio. São algumas das aplicações da óptica: 
Na correção de defeitos visuais; Na construção de instrumentos de observação como, por exemplo, os telescópios e microscópios;Utilizado em câmeras fotográficas e na cinematografia. 
 Entre muitas outras aplicações.
Fenômenos da luz.
A reflexão e a refração da luz 
A reflexão da luz é um dos fenômenos mais comuns envolvendo a propagação da luz. A reflexão ocorre quando a luz incide sobre a superfície de separação entre dois meios com propriedades distintas. A reflexibilidade é a tendência dos raios de voltarem para o mesmo meio de onde vieram. 
Quando a luz incide sobre uma superfície separando dois meios, podem ocorrer dois fenômenos distintos: reflexão da luz e refração da luz. Parte da luz volta e se propaga no mesmo meio no qual a luz incide (a reflexão da luz). A outra parte da luz passa de um meio para o outro propagando-se nesse segundo. A esse último fenômeno (no qual a luz passa de um meio para o outro) damos o nome de refração da luz.
Os dois fenômenos ocorrem concomitantemente. Pode haver predominância de um fenômeno sobre o outro. Que fenômeno predominará vai depender das condições da incidência e da natureza dos dois meios.
Se a superfície de separação entre os dois meios for plana (por exemplo, superfície de um metal) e polida (uma superfície regular) então a um feixe incidente de raios luminosos paralelos corresponderá um feixe refletido de raios luminosos igualmente paralelos. A reflexão nesse caso será denominada de regular.
Se a superfície de separação apresentar rugosidades a reflexão será difusa. A luz será espalhada em todas as direções. Se considerarmos um feixe de raios luminosos incidentes paralelos, os raios refletidos irão tomar as mais diversas direções. A grande maioria dos objetos reflete a luz de uma maneira difusa. Isso nos permite vê-lo de qualquer posição que nos situarmos em relação a ele.
Parte da luz é absorvida pelo objeto. Diferentes materiais absorvem luz de forma diferente e por isso vemos objetos das mais variadas cores. 
As leis da reflexão 
Para entendermos as leis que regem o fenômeno da reflexão precisamos introduzir as definições de planos de incidência da reflexão e ângulos de incidência. Quando o raio de luz incidir sobre a superfície de separação entre dois meios, ela o fará num ponto P sobre a superfície. Por um ponto qualquer de uma superfície podemos fazer passar uma reta que fura o plano e que é perpendicular a ele. Só existe uma tal reta (reta N, normal à superfície). O ângulo formado pelo raio (i) incidente e a reta normal (N) é o ângulo de incidência (representado por î ). 
Para o raio refletido (r) se aplica uma definição análoga. O ângulo de reflexão (r) é o ângulo formado pelo raio refletido e a reta normal N.
O plano formado pelo raio incidente (ou a reta que o contém) e a reta normal, é o plano de incidência. Analogamente, o plano de reflexão é o plano que contém o raio refletido r e a reta normal N. 
O fenômeno da reflexão é descrito por duas leis - as leis da reflexão. Tais leis tem uma base empírica. Isto é, elas seguem de inúmeras observações do fenômeno. 
Primeira lei 
O plano de incidência coincide com o plano de reflexão.
Dito de outra forma essa lei estabelece que "O raio de incidência a reta normal e o raio refletido estão emitidos no mesmo plano." 
Segunda lei (Lei de Snell)
O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.
Na verdade essas duas leis, essencialmente empíricas, podem ser entendidas a partir da natureza corpuscular da luz. De fato, podemos pensar na reflexão como resultado de colisão dos fótons com a superfície de separação entre dois meios. É algo parecido com a colisão de uma bola de tênis (ou outra bola) com uma parede. O fenômeno da colisão da bola com a parede obedece as mesmas leis da reflexão da luz (e vice-versa). 
Leis de refração
O fenômeno da refração é regido por duas leis. São leis análogas às leis da reflexão. 
Estaremos tratando, ao enunciarmos essas leis para a refração, de um raio luminoso que incide sobre uma superfície a qual estabelece a separação entre dois meios. Um meio material será designado por meio (1), enquanto o outro meio será designado por meio (2). O índice de refração do meio (1) designaremos por n1 enquanto o índice de refração do meio (2) designaremos por n2. 
Os meios (1) e (2) podem ser pensados como o ar (meio (1)) e a água (meio (2)) ou com o ar (meio (1)) e o vidro (meio (2)). 
A luz incide no meio (1) de tal forma que o raio de luz incidente forma um ângulo com a normal (N) à superfície (S) no ponto de incidência. Este raio é refratado formando um ângulo com a normal (N) à superfície no ponto de incidência. 
A primeira lei de refração estabelece que o raio incidente, o raio refratado e a normal pertencem a um mesmo plano. Dito de outra forma: 
O plano de incidência e o plano da luz refratada coincidem.
A segunda lei estabelece uma relação entre os ângulos de incidência, de refração e os índices de refração dos meios. Tal relação é conhecida como Lei de Snell-Descartes e seu enunciado é: 
Numa refração, o produto do índice de refração do meio no qual ele se propaga pelo seno do ângulo que o raio luminoso faz com a normal é constante.
Em linguagem matemática, a segunda lei pode ser escrita como: 
Se a incidência for normal (ângulo de incidência zero), o ângulo refratado será nulo. Nesse caso a luz não sofre qualquer desvio. A única conseqüência da refração no caso da incidência normal é a alteração da velocidade da luz ao passar de um meio para o outro. 
Se a incidência for oblíqua então o raio luminoso se aproximaria mais da normal naquele meio que for mais refringente (isto é, aquele meio que tiver o maior índice de refração). O meio com menor índice de refração é, por outro lado, aquele no qual a luz se propaga mais rápido. 
 
Índice de refração
	Ao mudar de meio a luz altera sua velocidade de propagação. Isto é de certa forma esperado, pois ao aumentar a densidade de um meio, maior será a dificuldade de propagação nele. Os fótons devem efetuar sucessivas colisões com as partículas do meio provocando um atraso, isto é, reduzindo sua velocidade. 
A velocidade da luz no vácuo é a maior que qualquer objeto pode atingir.
Lentes
Dentre os componentes de sistemas ópticos mais úteis, devemos citar as lentes. Se você tiver oportunidade de olhar detalhadamente a estrutura de uma máquina fotográfica moderna ou uma lente zoom ou ainda um telescópio, você entenderá rapidamente a relevância das lentes esféricas.Estes instrumentos úteis são construídos utilizando lentes esféricas. Os óculos são constituídos de duas lentes esféricas. Na figura abaixo temos um esquema de uma lente zoom de uma máquina fotográfica moderna. Nesse caso ela é composta de três lentes. A utilidade de uma lente é que com elas podemos aumentar (ou reduzir) o tamanho de um objeto. E esse aumento pode chegar a milhares de vezes. Esse é o caso dos microscópios e telescópios. As lentes de uso mais amplo são aquelas constituídas de vidro ou de acrílico (óculos, por exemplo)
São denominadas de lentes esféricas um arranjo no qual estão dispostos dois dioptros. Um dos dioptros deve ser um dioptro esférico e o outro poderá ser outro dioptro esférico ou um dioptro plano. A lente esférica e o objeto transparente limitado pelas superfícies e dos dois dioptros. Denominaremos de o índice de refração do meio no qual a lente está imerso (em geral o ar) e de o índice de refração do meio do qual a lente é constituída.
Centro de curvatura e raio de curvatura
Para o que segue adotaremos ainda as seguintes definições.
Cada fase é constituída de uma superfície esférica de raio R. Temos, portanto, numa lente esférica, em geral, dois raios de curvatura e . Conseqüentemente, teremos também dois centros de curvatura e . 
O eixo passando por e é o eixo principal. Ele cruza a primeira face no ponto (um vértice da lente) e a segunda face no ponto (o segundo vértice da lente). A distância entre e será adotada como a espessura (e) da lente. 
Finalmente, vamos introduzir a nomenclatura comumente utilizada ao nos referirmos às lentes esféricas. Podemos ter seis tipos de lentes esféricas (formada por dioptros esféricos ou esférico e plano). Se olharmos para o perfil dessas lentes, veremos que três delas têm bordas finas e três delas têm bordas espessas.
Os nomes das lentes são, usualmente, associados às faces. Existem duas faces a nomear. Se a primeira fase for plana, o nome plano vem em primeiro lugar (plano-côncavo e plano-convexo). Se as faces tiverem nomes iguais fazemos uso do prefixo bi (bicôncava, biconvexa). Nos demais casos citamos a face que tiver o maior raio de curvatura em primeiro lugar e em seguida a de menor curvatura. Temos assim, de acordo com essa convenção os nomes das diversas lentes esféricas na figura acima. 
2 – MATERIAIS NECESSÁRIOS:
Painel óptico com medidor de ângulo
Mesa suporte com multidiafragma
Duas lentes convexas de 250 e 125 mm
Lanterna policromática
Espelho Plano
Espelho Convexo
Espelho Côncavo
Uma régua
3 – DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO:
Experimento 1: Espelhos Planos 
A imagem refletida diante do espelho plano se formou atrás do espelho (imagem virtual) que provém do prolongamento dos raios de luz que incidem no espelho. Dessa forma, foi possível observar que a imagem refletida teve o mesmo tamanho do objeto refletido (face) e que houve uma inversão da imagem refletida, da direita para a esquerda ou vice-versa. 
Imagem da letra F refletida no Espelho Plano
Experimento 2: Régua
A distância do objeto até a imagem refletida é o dobro da distância do objeto ao espelho.
Experimento 3: Espelho Plano com Convexo
A imagem do espelho convexo é mais distante do que o plano. 
Experimento 4: Espelho Plano com Côncavo
O côncavo amplia a imagem verticalmente e de cabeça para baixo. E quando se aproxima, passando do foco, a imagem fica normal. 
Experimento 5:
A segunda lei estabelece uma relação entre os ângulos de incidência, de refração e os índices de refração dos meios. Tal relação é conhecida como Lei de Snell-Descartes e seu enunciado é: 
Numa refração, o produto do índice de refração do meio no qual ele se propaga pelo seno do ângulo que o raio luminoso faz com a normal é constante. De acordo com a Lei Snell, o ângulo de entrada no espelho plano é o mesmo de saída no espelho plano.
	Ângulo de Entrada
	Ângulo de Saída
	30º
	30º
	45º
	45º
	60º
	60º
Experimento 6: Espelho Convexo
Os três raios se cruzam no foco (imagem virtual).
Experimento 7: Espelho Côncavo
Os raios não se cruzam, ficam paralelas. O foco é na frente do espelho (imagem real).
4 – RESULTADOS OBTIDOS:
A partir dos experimentos realizados foi possível verificar na prática as leis da reflexão, da refração e as propriedades das lentes.
Identificamos o raio como 80 mm, e através da fórmula:
Podemos constatar que o foco de curvatura é 40 mm.
5 – CONCLUSÃO DO GRUPO
	 Ao término desse trabalho de Óptica podemos constatar na prática os diversos fenômenos da ótica geométrica, inclusive comparando elementos e informações da teoria com efeitos práticos observados nas experiências. No experimento 1, descrito nos procedimentos, podemos observar que a imagem refletida diante do espelho plano se formou atrás do espelho (imagem virtual) que provém do prolongamento dos raios de luz que incidem no espelho, e houve uma inversão da imagem refletida, da direita para a esquerda ou vice-versa. Concluímos que a luz ao passar de um meio a outro sofre diversas mudanças, dentre elas a sua direção e o seu ângulo, podemos visualizar nos experimentos realizados de 1 a 7. Ao realizarmos o experimento 5, analisando ângulos de entrada e saída de 30°, 45° e 60°, demonstrado na tabela acima, percebemos que o ângulo de entrada é o mesmo na saída e que após certo ângulo o raio de luz não podia mais ser visto e a teoria nos informa claramente que esse fenômeno se dá devido ao ângulo de reflexão exceder o ângulo limite.
 Ângulo de Incidência (i)	Ângulo de Reflexão (r)
0º	0º
10º	10º
20º	20º
30º	30º
40º	40º
 Dentre esses e outros fenômenos essa prática pode nos fornecer uma dimensão ampla das leis da ótica geométrica. Dessa maneira as práticas alcançaram os seus respectivos objetivos em todos os casos, foram observados o surgimento de imagens virtuais e reais tanto nas lentes como nos espelhos. No experimento 6 conseguimos observar que os feixes de luz se cruzam no foco quando utilizamos o espelho convexo, já no espelho côncavo os feixes são paralelos independente da inclinação do espelho realizado no experimento 7.
6 – BIBLIOGRAFIA:
HALLIDAY, RESNICK, WALKER; Fundamentos da Física, Vol. 1, 8a Edição, LTC, 2009.