Óptica e Termologia (1)

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Princípios da Óptica: 
Profº Diego Rocha
Óptica é a parte da Física que estuda a luz e os fenômenos luminosos. Seu desenvolvimento se deu com a publicação da Teoria Corpuscular da Luz, por Isaac Newton, teoria que admitia que a luz era formada por um feixe de partículas (1).
Define-se luz como o agente físico que sensibiliza nossos órgãos visuais. A luz é uma onda eletromagnética.
Imagem: Original Horst Frank, with some modifications by Jailbird. Tradución da versión de Alebergen /  Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.
Raios de luz são linhas que representam a direção e o sentido de propagação da luz. A ideia de raios de luz é puramente teórica e tem como objetivo facilitar o estudo.
Óptica Geométrica estuda os fenômenos luminosos baseados em leis empíricas (experimentais). São explicados sem que haja necessidade de se conhecer a natureza física da luz. A óptica geométrica usa como ferramenta de estudo a geometria (2).
Raio de luz
Feixe de luz
Os Feixes Luminosos ou os Pincéis Luminosos podem ser classificados em: 
Divergente
Cilíndrico
Convergente
Fontes de luz  são corpos capazes de emitir luz, seja dela própria ou refletida e podem ser classificadas em: 
• Fontes de luz primária (luminosas) são fontes que emitem luz própria. 
 Incandescentes: quando emitem luz a altas temperaturas. 
Ex.: O Sol, a chama de uma vela e as lâmpadas de filamento. 
Luminescentes: quando emitem luz a baixas temperaturas. As fontes de luz primária luminescentes podem ser fluorescentes ou fosforescentes. 
Fluorescentes: emitem luz apenas enquanto durar a ação do agente excitador. 
Ex.: Lâmpadas fluorescentes. 
Fosforescentes: emitem luz por um certo tempo, mesmo após ter cessado a ação do excitador. Nessas fontes de luz, a energia radiante é proveniente de uma energia potencial química. 
Ex.: Interruptores de lâmpadas e ponteiros luminosos de relógios (3). 
Corpo Luminoso ou Fonte de Luz Primária: É aquela que emite luz própria. Exemplo: o Sol, a chama de uma vela, etc.
Corpo Iluminado ou Fonte de Luz Secundária: É aquela que reflete a luz recebida de outros corpos. Exemplo: a Lua, objetos iluminados por uma lâmpada, pois passam a receber luz e refleti-la, permitindo que sejam vistos.
Fonte Puntual: É quando no fenômeno em estudo as dimensões da fonte são desprezíveis.
Fonte Extensa: É quando no fenômeno em estudo as dimensões da fonte não são desprezíveis. 
Fonte de luz fluorescente
Imagens: (a) Wilfredo R. Rodriguez H. / GNU Free Documentation License, (b)  Naklig at el.wikipedia e (c) Dickbauch / GNU Free Documentation License.
Fonte de luz fosforescente
Fonte de luz incandescente
• Fontes Secundárias são as fontes que emitem apenas a luz recebida de outros corpos. 
Ex.: Lua, cadeiras, roupas etc. 
Corpos opacos são aqueles que impedem a passagem da luz.
 
Corpos transparentes são aqueles que se deixam atravessar totalmente pela luz.
 
Corpos translúcidos são aqueles que se deixam atravessar parcialmente pela luz (4).
 A Velocidade da luz no vácuo
 c = 3 . 105 km/s = 3 . 108 m/s
Ano-Luz - Unidade de distância utilizada na Astronomia. Um ano-luz é a distância percorrida pela luz no vácuo, em um ano terrestre (365 dias). 
d
Imagem: Marvel / Based upon a NASA image / GNU Free Documentation License.
­FENÔMENOS ESTUDADOS PELA ÓPTICA GEOMÉTRICA
Reflexão 
Refração
Absorção
REFLEXÃO DA LUZ
Reflexão Regular
Reflexão Difusa 
ISAAC NEWTON - Cambridge - 1670
Cor de um corpo por Reflexão
Newton foi além, repetindo a experiência com todas as raias correspondentes às sete cores. Mas a decomposição não se repetia: as cores permaneciam simples. Inversamente, ele concluiu que a luz branca é, na realidade, composta de todas as cores do espectro. E provou isso reunindo as raias coloridas de duas maneiras diferentes: primeiro, mediante uma lente, obtendo, em seu foco, a luz branca; e, depois, por meio de um dispositivo mais simples, que passou a ser conhecido como disco de Newton. Trata-se de um disco dividido em sete setores, cada um deles pintado com uma das cores do espectro. Fazendo-o girar rapidamente, as cores se superpõem sobre a retina do olho do observador e este recebe a sensação do branco (5).
Imagem: (a) Sir Godfrey Kneller / National Portrait Gallery, London / Public Domain e (b) John Roland Hans Penner / GNU Fre Documentation License.
Imagem: (a) Public Domain, (b) Immanuel Giel, / GNU Free Documentation License e (c) Isaac Newton / Public Domain.
Objeto azul
Cores do
especto
A cor refletida é azul
Penumbra
P
Penumbra
F (fonte extensa)
Eclipse Lunar
-
Sol
Umbra
Penumbra
Imagem: Antonio Cerezo, Pablo Alexandre e Jesús Merchán y David Marsán / Agrupación Astronómica Deneb / GNU Free Documentation License.
Eclipse solar
Orbita da Lua
Orbita da Terra
Sol
Imagem: Sagredo / Public Domain.
Imagem: Hans Bernhard / Dual license; Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported e GNU Free Documentation License.
Câmara Escura de Orifício 
b
h
imagem
objeto
Princípio da reversibilidade dos raios de luz: o caminho seguido pela luz independe do sentido de propagação.
Princípio da independência dos raios de luz: um raio de luz, ao cruzar com outro, não interfere na sua propagação.
Imagem: Toronto Fire Department /  Creative Commons Attribution 2.0 Generic.
Considere um conjunto de raios luminosos iluminando um corpo rugoso, isto é, cheio de saliências.
O corpo rugoso reflete os raios luminosos fazendo com que se propaguem em várias direções. Esse fenômeno é chamado reflexão irregular ou reflexão difusa, ou simplesmente, difusão. Devido a reflexão difusa é que podemos ver totalmente um corpo.
 Exemplo: Se a Terra não tivesse atmosfera para difundir a luz do Sol, o céu seria completamente preto.
Difusão da luz
Quando um conjunto de raios incide em uma superfície perfeitamente polida, notamos que os raios luminosos são refletidos numa única direção. Esse fenômeno é chamado de reflexão regular. 
 Exemplo: Os faróis e faroletes usam fontes de Luz de alta intensidade e refletores regulares de alto polimento para redirigirem os raios de luz na direção desejada. 
Reflexão da luz
ABSORÇÃO - Ocorre em superfícies de cor escura.
REFRAÇÃO - Ocorre em superfícies transparentes.
Toda a superfície polida que forma imagens por reflexão regular e tem alto poder refletor é chamada espelho. Os espelhos podem ser planos ou esféricos.
	
Espelho
C
C
F
F
Espelho côncavo
Foco Real
Espelho convexo
Foco Virtual
Esp. convexo
C
F
V
Esp. côncavo
C
F
V
O raio de luz que incide na direção do centro de curvatura reflete-se sobre si mesmo 
Esp. côncavo
C
F
V
Esp. côncavo
C
F
V
Esp. côncavo
C
F
V
O raio de luz que incide paralelo ao eixo principal reflete-se na direção do foco principal 
Esp. convexo
C
F
V
Esp. convexo
C
F
V
Esp. convexo
C
F
V
O raio de luz que incide na direção do foco principal reflete-se paralelo ao eixo principal 
O raio de luz que incide sobre o vértice reflete simetricamente em relação ao eixo principal 
	Chamamos de lente esférica, a associação de dois dioptros, sendo um necessariamente esférico e o outro plano ou esférico. Sendo transparentes, quando as superfícies são atravessadas pela luz, nota-se a predominância do fenômeno da refração em relação ao da reflexão.(1)
Lentes Esféricas
61
FÍSICA, 2º
Lentes Esféricas
Borda Fina
Borda Grossa
Imagem: HernandoJoseAJ / GNU Free Documentation License.
62
FÍSICA, 2º
Lentes Esféricas
Elementos das Lentes Esféricas
Centro óptico (O) ou vértice: Cruzamento do eixo principal com a lente.
Ponto Anti-principal (A).
Foco (F): Distância focal, definida pelo ponto médio entre A e O.
A
F
O
F
A
Eixo
Principal
63
FÍSICA, 2º
Lentes Esféricas
A
F
O
F
A
LENTE CONVERGENTE
64
FÍSICA, 2º
Lentes Esféricas
A
F
A
LENTE DIVERGENTE
F
O
65
FÍSICA, 2º
Lentes Esféricas
Raios Notáveis
A
F
O
F
A
66
FÍSICA, 2º
Lentes Esféricas
Raios Notáveis
A
F
O
F
A
67
FÍSICA, 2º
Lentes Esféricas
Formação de Imagens
A
F
O
F’
A’
Imagem: Real, Invertida e Menor
Câmera Fotográfica, Olho.
CASO I
Imagem:   Eugenio Hansen / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.
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FÍSICA, 2º
Lentes Esféricas
A
F
O
F’
Imagem: Real, Invertida e Igual
Copiadora 
CASO II
Imagem:   Eugenio Hansen / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.
69
FÍSICA, 2º
Lentes Esféricas
A
F
O
F’
A’
Imagem: Real, Invertida e Maior
Projetor de Slides
CASO III
Imagem:   Eugenio Hansen / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.
70
FÍSICA, 2º
Lentes Esféricas
A
F
O
F’
A’
Imagem Imprópria
CASO VI
Imagem:   Eugenio Hansen / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.
71
FÍSICA, 2º
Lentes Esféricas
A
F
O
F’
A’
Imagem: Virtual, Direita e Maior
Lupa, Correção de Hipermetropia e Presbiopia
CASO V
Imagem:   Eugenio Hansen / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.
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FÍSICA, 2º
Lentes Esféricas
A
F
O
F
A
Imagem: Virtual, Direita e Menor
Correção de Miopia
Formação de Imagens
Imagem:   Eugenio Hansen / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.
73
FÍSICA, 2º
Lentes Esféricas
A
F
O
F’
A’
Estudo Analítico
o
i
p
p’
Equação de Gauss:
Aumento Linear:
Imagem:   Eugenio Hansen / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.
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Estrutura do Globo Ocular
Eixo óptico
Ponto cego 
Imagem: Rhcastilhos / Domínio Público.
75
FÍSICA, 2º
Lentes Esféricas
Defeitos da Visão
Imagem: 8thstar / GNU Free Documentation License
76
Olho Normal
Imagens da direita para esquerda: (a). Rhcastilhos / Domínio público (b) Urinbecken / GNU Free Documentation License
77
FÍSICA, 2º
Lentes Esféricas
Olho Normal
Imagem: Governo Federal dos EUA / Public Domain.
78
Imagens da direita para esquerda: (a). Rhcastilhos / Domínio público (b) Urinbecken / GNU Free Documentation License
MIOPIA
79
MIOPIA
Olho Apertado;
Imagem forma-se antes da retina;
Problema no ponto remoto;
 Características
 Correção
Lentes Divergentes (-f , -V)
Não enxerga de longe.
Imagem: CryptWizard / Creative Commons ShareAlike 1.0.
80
MIOPIA
Imagem: Governo Federal dos EUA / Public Domain.
81
Imagens da direita para esquerda: (a). Rhcastilhos / Domínio público (b) Urinbecken / CNU Free Documentation License
HIPERMETROPIA
82
HIPERMETROPIA
Imagem forma-se depois da retina;
Problema no ponto próximo;
 Características
 Correção
Lentes Convergentes 
Não enxerga de perto.
Imagem: Eugene Zelenko / Creative Commons ShareAlike 1.0
83
HIPERMETROPIA
Imagem: Governo Federal dos EUA / Public Domain.
84
FÍSICA, 2º
Lentes Esféricas
ASTIGMATISMO
Problema na superfície da córnea.
 Características
 Correção
Lentes Cilíndricas (±f , ±V)
Imagem: Governo Federal dos EUA / Public Domain.
85
PRESBIOPIA
Problema nos músculos ciliares.
 Características
 Correção
Lentes Convergentes (+f , +V)
“Vista Cansada”;
Imagem: Governo Federal dos EUA / Public Domain.
86
Daltonismo
TERMOLOGIA
É a parte da física que estuda os fenômenos relativos ao aquecimento, ao resfriamento ou às mudanças de estado físico em corpos que recebem ou cedem energia. Temperatura e Calor são objetos de estudo da Termologia.
92
TEMPERATURA
Temperatura é a grandeza física associada ao estado de movimento ou à agitação das partículas que compõem os corpos (1). 
Moléculas muito agitadas = Temperatura alta.
Moléculas pouco agitadas = Temperatura baixa.
93
Física, 2° ano
Conceito de Temperatura e Calor
	 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA
 O termoscópio foi o primeiro instrumento 
 construído para medir a temperatura, em 
 1597 por Galileu Galilei.
 
 Consiste em um bulbo cheio de ar, provido de um
 tubo imerso em um recipiente contendo um 
 líquido. Quando o ar aquece a pressão aumenta 
 e o líquido desce.
Imagem: Galilean thermoscope. Reproduction of the Institute and Museum for the History of Science of Florence. Source: Photo of Franca Principe - IMSS Florence. / Max Planck Institute for the History of Science / Berlin Declaration on Open Access to Knowledge in the Sciences and Humanities.
94
TERMÔMETROS
Todo dispositivo usado para medir temperatura é chamado de termômetro.
Há vários tipos de termômetros. Os mais comuns são:
Termômetro clínico;
Termômetro de lâmina bimetálica; 
Termômetro a gás;
Termômetro de rua.
.
95
Termômetro Clínico
Tem por finalidade medir a temperatura do corpo humano, por isso indica valores entre 35 °C e 42 °C.
.
Imagem: Menchi / GNU Free Documentation License
96
Termômetro de Lâmina Bimetálica 
É utilizado para avaliar a temperatura em ambientes fechados, como fornos e câmaras frigoríficas. 
Imagem: 1-1111 / GNU Free Documentation License
97
Termômetro a Gás
É utilizado para medir baixas temperaturas. É muito usado em laboratórios de pesquisa.
Imagem: Kuroisam / Public Domain. (Tradução Nossa).
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Termômetro de Rua
É utilizado para registrar a temperatura do ar no local. Consiste em um circuito elétrico no interior de um relógio digital, que capta a temperatura do ambiente. 
Imagem: ŠJů / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.
99
EQUILÍBRIO TÉRMICO
Todos os corpos, sempre que possível, tendem a ir espontaneamente para o mesmo estado térmico. 
Portanto:
“Dois ou mais sistemas físicos estão em equilíbrio térmico entre si quando suas temperaturas são iguais” (2).
100
 
 
As partículas da água “quente” fornecem parte de sua energia de agitação para as partículas da água “fria” e vice-versa. A troca de energia só é interrompida quando o equilíbrio térmico é atingido.
Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido.
101
CALOR
Calor é a transferência de energia de um objeto ou sistema para outro, em razão, exclusivamente, da diferença de temperatura entre eles.
102
TEORIA DO CALOR COMO SUBSTÂNCIA (CALÓRICO)
No século XVIII, o calor era considerado uma espécie de substância invisível ou um tipo de fluido.
Segundo essa teoria, a substância “calor” ou “calórico” apresentava características especiais: 
penetrava facilmente na matéria; 
era atraída pela matéria;
não podia ser criada nem destruída;
não possuía massa.
103
A teoria do calórico se tornou obsoleta, quando não conseguiu explicar o aquecimento provocado por atrito entre dois objetos, como um esfregar de mãos , por exemplo.
Imagem: Lubyanka / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.
104
AS UNIDADES DE MEDIDA DO CALOR
A unidade oficial de calor no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o Joule (J).
No entanto, na resolução de problemas de troca de calor, dá-se preferência, por razões históricas, à unidade caloria (cal). 
1 cal = 4,18 J
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Caloria é quantidade de calor que 1 grama de água pura deve receber, sob pressão normal, para que sua temperatura seja elevada de 14,5 °C para 15,5 °C.
A unidade múltipla quilocaloria (kcal) também é muito usada na medida de quantidade de calor. 
 1 kcal = 1 000 cal = 103 cal
 
 
106
PROCESSOS DE PROPAGAÇÃO DO CALOR
A mudança da energia térmica da região de maior temperatura para a de menor temperatura pode ser processada
de três maneiras distintas:
condução;
convecção;
Irradiação.
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CONDUÇÃO TÉRMICA
É o processo de propagação de calor, no qual a energia térmica passa de partícula para partícula em um meio.
Condução de calor através de uma barra de metal.
Imagem: Clive M. Countryman / Forest Service - United States Department of Agriculture / U.S. Public Domain.
108
CONDUTORES E ISOLANTES TÉRMICOS
Condutores térmicos são materiais nos quais o processo de condução do calor é acentuado.
Exemplo: os metais.
Imagem: grongar / Creative Commons Attribution 2.0 Generic.
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Isolantes térmicos são materiais nos quais ocorre pouca ou nenhuma transmissão de calor.
Exemplos: madeira e isopor.
Imagem: przykuta / Creative Commons
 Attribution-Share Alike 3.0 Unported.
Imagem: Eurritimia / Creative Commons
 Attribution-Share Alike 2.0 Unported.
110
CONVECÇÃO TÉRMICA
É o processo de propagação de calor, no qual a energia térmica se propaga pela movimentação de massas líquidas ou gasosas, que alteram suas posições no meio devido à diferença de densidade.
111
A transferência de energia por convecção, só ocorre em materiais fluidos (líquidos ou gases). 
É um fenômeno cíclico, no qual formam-se correntes de convecção, ou seja, o fluido (ar ou água) mais quente tende a subir e o mais frio tende a descer.
112
A refrigeração dos alimentos em refrigeradores domésticos, assim como o aquecimento da água em uma chaleira acontecem por correntes de convecção. 
Imagem: Oni Lukos / GNU Free Documentation License
Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido.
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As brisas que ocorrem nas regiões litorâneas podem ser explicadas pela existência de correntes de convecção (3).
Imagem: Yue Guan / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.
(Tradução Nossa).
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IRRADIAÇÃO TÉRMICA
É o processo de propagação de calor em que a energia térmica se propaga sob a forma de ondas eletromagnéticas.
A energia chega até o indivíduo, por um tipo de radiação que se propaga tanto na matéria, como no vácuo.
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A energia do Sol, que viaja no vácuo e aquece o nosso planeta, é transmitida por irradiação térmica.
Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido.
Imagem da terra: Heikenwaelder Hugo, Austria /  Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Generic.
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Alguns materiais como o vidro e o plástico dificultam a passagem da radiação térmica (forma de transmissão do calor por meio de radiação eletromagnética), mas permitem a passagem da luz, por isso a maioria das estufas possuem cobertura de vidro ou de plástico.
 
Imagem: Joseolgon / 
Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.
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EFEITO ESTUFA
A presença de vapor de água e gás carbônico faz a atmosfera reter grande parte das ondas emitidas pelos objetos da superfície terrestre. Esse efeito é fundamental para que a Terra tenha uma temperatura média adequada.
118
 
A preocupação dos cientistas é porque as atividades humanas estão aumentando muito esse efeito.
Então, de um fenômeno benéfico e essencial, o efeito estufa poderá se tornar catastrófico.
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Imagem: SEE-PE, redesenhado a partir de imagem de Autor Desconhecido / http://geographicae.wordpress.com/2007/05/08/o-efeito-de-estufa-ii/
Imagem da terra: Heikenwaelder Hugo, Austria /  Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Generic.
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DIFERENÇA ENTRE TEMPERATURA E CALOR
Temperatura é a medida do grau de agitação das moléculas de um sistema.
Calor é a forma de transferir energia de um corpo ou sistema para outro.
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LEMBRANDO
A propagação do calor pode ocorrer por três processos: condução, convecção e irradiação.
A condução acontece, em geral, nos sólidos.
A convecção predomina nos líquidos e gases, através de correntes de convecção.
A irradiação ocorre pela radiação; não é necessária a presença da matéria.
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