Óptica Geométrica

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FÍSICA
 EXPERIMENTAL II
ÓPTICA GEOMÉTRICA
Nomes:
Rafael Ramos Oliveira
Ewerton Costa Martins
Renan de Souza
Roger Maia M.de Araújo
TURMA: SEXTA 1
Introdução
Óptica é o estudo da propagação e os fenômenos da luz. Ela se divide em duas partes: geométrica e ondulatória. Aquele se refere à análise do foco da imagem e estuda a reflexão, a refração e a absorção; com esses fenômenos é capaz de construir instrumentos ópticos e aplicar na construção de lentes. Já a óptica ondulatória é voltada à qualidade desta imagem no macrocosmo. Estuda a difração, a interferência e a polarização. Porém, o foco deste trabalho é a óptica geométrica.
 Será mostrado conceitos e exemplos da reflexão, refração e absorção da luz.
 
 Tanto em espelhos planos e esféricos .
Tudo aquilo que é capaz de emitir luz é chamado de corpo luminoso. O Sol, a chama de uma vela ou qualquer corpo que quando aquecido emita uma luz própria é chamado de corpo luminoso. Já corpo iluminado é tudo aquilo que apenas reflete a luz que é incidida sobre ele. Os carros, os animais e os homens são alguns exemplos.
A luz é uma onda eletromagnética que se propaga no vácuo com uma velocidade aproximada de 3 × 108 m/s , e se comporta como uma onda e uma partícula ao mesmo tempo .
Segundo Maxwell, em sua pesquisa sobre ondas eletromagnéticas, essas têm padrões de campos elétricos e magnéticos em movimento.
Introdução ao conceito de óptica
Durante o século XVIII e XIX, cientistas tentavam provar que a luz tem características corpusculares e outros cientistas tentavam provar que a luz tem características ondulatórias.
Isaac Newton foi o principal desenvolvedor dessa ideia corpuscular. Esse modelo foi bem aceito por ele provar a refração e a reflexão da luz. Porém, Christiaan Huygens mostrou que o modelo ondulatório da luz também provava a reflexão e a refração da luz. Entretanto, o modelo ondulatório não foi muito bem aceito. Algumas das razões é por ter conhecimento de que todas as outras ondas precisam de um meio para se propagar, mas entre o Sol e a Terra é apenas vácuo. Outro motivo que os cientistas argumentaram é que se a luz fosse uma onda, ela faria curvas. Mais tarde foi provado a difração da luz (a luz se curva em torno das bordas dos corpos, porém é muito pequena em consequência dos pequenos comprimentos de onda que a luz possui).
Essa discussão durou muito tempo até o ano de 1801, quando Thomas Young demonstrou a natureza ondulatória da luz através do fenômeno de interferência da luz, que é quando uma única fonte de luz propaga em duas direções diferentes e elas chegam num certo ponto e se anulam. Isso é uma consequência da natureza destrutiva.
Jean Foucault provou que a velocidade da luz no vidro e nos líquidos é menor que a velocidade da luz no ar, esclarecendo uma falha no modelo corpuscular; o qual dizia exatamente o contrário.
Por outro lado, o modelo ondulatório também não provava todos os fenômenos da luz, como o efeito fotoelétrico; o qual mostra que um metal emite elétrons quando ele é exposto à luz.
A partir disso, foi aceita a natureza dupla da luz. Ou seja, a luz se comporta como uma onda e também como uma partícula.
Material utilizado
- Banco óptico linear 
- Banco óptico plano 
Refração da luz
Quando um raio luminoso incide em uma superfície parte desse raio é refletido e outra parte é refratada. Quando esse raio é refratado ele muda sua direção se aproximando ou se afastando da normal.
 O ângulo de refração é dependente da seguinte relação: senθ1/senθ2 = constante (v1 é a velocidade do raio no meio 1, e v2 é a velocidade do raio no meio 2)
Sneel foi quem inventou essa relação, portanto ela é conhecida como a lei de Snell. 
O raio, refletido e o raio refratado estão todos no mesmo plano. Ou seja, se a velocidade no meio refratado é maior que no meio incidido, o raio se aproxima da normal, e se a velocidade do meio refratado é menor, o raio se afasta da normal.
Para cada meio existe um índice de refração
 v velocidade da luz no vácuo	c 
n = v velocidade da luz no meio = v . 
 A velocidade máxima da luz é quando ela se propaga no vácuo. Portanto, o índice de refração mínimo é 1. Ou seja, quanto maior o índice de refração, menor é a velocidade da propagação da luz naquele meio.
Quando a luz é refratada, seu comprimento de onda e sua velocidade mudam.
Reflexão da luz
As ondas luminosas podem se mover em três dimensões. E existem dois tipos de reflexão da luz: se a superfície incidida for polida (possui variações menores que o comprimento de onda), a reflexão dos feixes de luz são paralelos e possíveis de serem vistos (reflexão especular). Já se a superfície for áspera e desigual, as reflexões dos feixes não são paralelas, o que dificulta a visão desses reflexos (reflexão difusa).
Os ângulos de incidência são iguais aos ângulos refletidos. Os ângulos são sempre medidos a partir da normal (reta perpendicular à superfície) até o feixe. Tanto a reflexão especular quanto a difusa segue essa regra. Porém, na difusa existe uma normal diferente para cada imperfeição na superfície, o que cria o efeito embaralhado.
Um exemplo de reflexão é em uma rodovia. Quando o ar esta seco os faróis dos carros incidem no asfalto e é refletido em diversas direções, permitindo uma melhor visão da estrada. Entretanto, depois de uma chuva, o chão estará molhado e terá preenchido os espaços do asfalto com água. Com isso, os faróis dos carros incidem no asfalto e é refletido de forma especular, dificultando a visão.
Existe também a reflexão interna total. É quando um raio incide de um meio com maior índice de refração para um meio com menor índice de refração. Em um determinado ângulo de incidência será encontrado o ângulo crítico, que é quando o ângulo entre a normal e o raio refratado é 90º. A partir daí, se aumentar o ângulo de incidência o raio será totalmente refletido, como se fosse uma superfície refletora perfeita. Essa reflexão obedece à lei de Snell em que o ângulo de incidência é igual ao ângulo refletido.
Absorção da luz
Tudo o que é visível só é visível por consequência de uma luz que é incidida no objeto e uma parte dessa luz é absorvida e a outra parte é refletida. A luz refletida é a cor que enxergamos.
Uma camiseta preta é preta, pois o raio de luz policromática incidida nela é totalmente absorvido por ela. O contrário acontece em uma toalha branca, por exemplo, o raio de luz é totalmente refletido por ela. 
 Imagens formadas por espelhos planos
Imaginando um objeto em frente ao espelho plano com um observador olhando
Para o espelho, o ponto A é o objeto e o segmento o é à distância do objeto. O reflexo
Do objeto, através da incidência de uma fonte de luz, divergem do objeto e são refletidos no espelho. Após a reflexão os raios continuam a se divergir. Se os raios que se propagam dos olhos do observador e os raios refletidos do objeto forem estendidos para trás do espelho até o ponto em que se encontram, será formada uma imagem idêntica ao.
Objeto no ponto C
 
Com distância i
 
(ponto imagem). A imagem formada é do mesmo
Tamanho e na mesma posição que o objeto real. Isso se dá por conta do espelho ser plano. É possível também afirmar que a distância o é igual à distância i. Ou seja, a distância do objeto real até sua imagem refletida é igual ao dobro da distância do objeto.
Nota-se que na imagem abaixo o espelho reflete uma imagem invertida da real. Por exemplo, quando é levantada a mão direita, o espelho reflete a mão esquerda sendo levantada. Mas, dizer que o espelho faz uma inversão de direita esquerda é incorreto. O espelho faz uma inversão de frente para trás.
 Imagens formadas por espelhos esféricos 
Existem dois tipos de espelhos esféricos.São eles côncavos e convexos.
Côncavos
O espelho côncavo é aquele que tem a superfície espelhada voltada para dentro.
O raio de curvatura do espelho é indicado por R, o centro de curvatura é C, V são o vértice, e o segmento CV é o eixo principal. Bem ao meio desse eixo está o foco F, e a distância FV é a distância focal f .
Nesse exemplo dizemos que são raios paraxiais, pois os ângulos formados entre o raio de incidência e o eixo principal são pequenos os que contribuem para a formação de uma imagem real e bem definida. Quando esses ângulos são grandes convergem em outros pontos no eixo principal, produzindo uma imagem borrada. As imagens produzidas por espelhos côncavos são sempre reais, pois ela é formada à frente da superfície espelhada. O contrário acontece nos espelhos planos, são todas imagens virtuais, pois a imagem se forma atrás do espelho.
Para fazer a análise de um objeto, desenha-se um raio incidindo da ponta do objeto e refletindo no vértice do espelho. Após isso, desenha-se outro raio incidindo da ponta do objeto, passando pelo centro de curvatura e refletindo no espelho e voltando para o objeto. O ponto em que esses raios se encontrarem é onde será formada a imagem. Pelo triângulo grande superior, a, e no triângulo menor inferior atgθ =h/p 
tgθ = − h′/q . O sinal negativo indica que a imagem é formada para baixo, invertida.
Substituindo essa relação da equação de ampliação lateral, tem-se:
 p + q = R . 
Essa expressão é chamada de equação do espelho, e é aplicável apenas para simplificação do raio paraxial.
 Se o objeto está muito distante do espelho, p → ∞ , então, 1 → 0 . Ou seja, q ≈ R/2 ,
“Quando o objeto está muito longe do espelho, o ponto imagem está a meio caminho entre o centro de curvatura e o centro do espelho” (SERWAY, Raymond A., p. 1021, 2005). Nesse caso só são considerados os raios paralelos ao eixo, pois os raios não paralelos não incidem no espelho. O ponto no qual os raios paralelos se encontram após a reflexão é chamado de ponto focal do espelho. E essa distância até o espelho é a
R	1	1	1
distância focal f = 2 . Substituindo na equação anterior, obtém-se: p + q = f .
Fazendo os desenhos percebesse que quando o objeto esta em cima do centro de curvatura a imagem formada é invertida, real e de mesmo tamanho que o objeto. Quando o objeto está no foco, a imagem está infinitamente distante para a esquerda. E quando o objeto está entre o foco e o vértice, a imagem é direita, virtual e maior que o objeto. Todos esses exemplos foram provados através da equação do espelho.
Convexos
Espelhos convexos são aqueles que têm a superfície espelhada do lado externo da curvatura. Toda imagem formada por ele produz uma imagem virtual, direita e menor que o objeto real. Para montar o diagrama de raios do espelho convexo, deve-se primeiro desenhar um raio paralelo ao eixo e que reflete na direção que o foco incidiria. Após isso desenhasse um raio que passaria atle o centro de curvatura do espelho, porém ele eh refletido pelo mesmo caminho de onde incidiu. Estendendo esses reflexos, o ponto de encontro é onde é formada a imagem. Ou seja, atrás do espelho, com tamanha menor e direita. Quanto maior a distância do objeto, menor é a imagem.
Conclusão
Neste trabalho foi apresentado o conceito de óptica, o estudo da luz.
Inicializou com seu conceito natural, as características que possui. Ou seja, o comportamento da luz tanto como onda e partícula.
A refração é a passagem do feixe de luz por uma superfície, diferenciando a velocidade e o comprimento de onda da luz. O índice de refração é usado como relação para distinguir essa velocidade. Quanto maior o índice de refração, menor a velocidade da luz nesse meio, portanto o raio refratado se aproxima da normal.
Quando um raio é incidido num plano, parte desse raio é refratada e outra parte é refletida. O ângulo de incidência e o ângulo de reflexão são iguais. Além disso, existe a reflexão especular e a reflexão difusa. Aquela é quando acontece em um plano polido, refletindo um raio visível; e essa é quando ocorre em um plano imperfeito e áspero, que reflete vários raios impossibilitando enxergá-los.
A absorção da luz é o que faz os objetos serem visíveis e serem possíveis de terem cores determinadas.
Entrando nos exemplos de espelhos, os planos sempre formarão imagens virtuais, direitas e com o mesmo tamanho que o objeto real. Já, os espelhos esféricos dependem se ele é convexo ou côncavo e também depende da posição que o objeto está do espelho.
Referências bibliográficas
Raymond A. Serway / John W. Jewett, Jr. Princípios de Física: Óptica e Física Moderna. 3 ͣ Edição. São Paulo: Cengage Learning, 2005. Volume 4.
Paul A. Tipler / Gene Mosca. Física Para Cientistas e Engenheiros: Eletricidade e Magnetismo, Óptica. 6 ͣ Edição. Rio de Janeiro: LTC ­ Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda, 2009. Volume 2.