Óptica

Aula 1 Prof Blas EE Tadakiyo Sakai

Óptica - FundamentosLuz - Comportamento e princípios

A luz, ou luz visível como é fisicamente caracterizada, é uma forma de energia radiante. É o agente físico que, atuando nos órgãos visuais, produz a sensação da visão.Para saber mais... Energia radiante é aquela que se propaga na forma de ondas eletromagnéticas, dentre as quais se pode destacar as ondas de rádio, TV, microondas, raios X, raios gama, radar, raios infravermelho, radiação ultravioleta e luz visível.Uma das características das ondas eletromagnéticas é a sua velocidade de propagação, que no vácuo tem o valor de aproximadamente 300 mil quilômetros por segundo, ou seja:Podendo ter este valor reduzido em meios diferentes do vácuo, sendo a menor velocidade até hoje medida para tais ondas quando atravessam um composto chamado condensado de Bose-Einstein, comprovada em uma experiência recente. A luz que percebemos tem como característica sua freqüência que vai da faixa de (vermelho) até (violeta). Esta faixa é a de maior emissão do Sol, por isso os órgãos visuais de todos os seres vivos estão adaptados a ela, e não podem ver além desta, como por exemplo, a radiação ultravioleta e infravermelha.

A luz que percebemos tem como característica sua freqüência que vai da faixa de (vermelho) até (violeta). Esta faixa é a de maior emissão do Sol, por isso os órgãos visuais de todos os seres vivos estão adaptados a ela, e não podem ver além desta, como por exemplo, a radiação ultravioleta e infravermelha.

Divisões da ÓpticaÓptica Física: estuda os fenômenos ópticos que exigem uma teoria sobre a natureza das ondas eletromagnéticas.

Conceitos básicosRaios de luz

São a representação geométrica da trajetória da luz, indicando sua direção e o sentido da sua propagação. Por exemplo, em uma fonte puntiforme são emitidos infinitos raios de luz, embora apenas alguns deles cheguem a um observador.

Representa-se um raio de luz por um segmento de reta orientado no sentido da propagação.

Óptica Geométrica: estuda os fenômenos ópticos em que apresentam interesse as trajetórias seguidas pela luz.  Fundamenta-se na noção de raio de luz e nas leis que regulamentam seu comportamento. O estudo em nível de Ensino Médio restringe-se apenas a esta parte da óptica.

Feixe de luz

É um conjunto de infinitos raios de luz; um feixe luminoso pode ser:

Cônico convergente: os raios de luz convergem para um ponto;

Cônico divergente: os raios de luz divergem a partir de um ponto;

Cilíndrico paralelo: os raios de luz são paralelos entre si.

Fontes de luzTudo o que pode ser detectado por nossos olhos, e por outros instrumentos de fixação de imagens como câmeras fotográficas, é a luz de corpos luminosos que é refletida de forma difusa pelos corpos que nos cercam.

Fonte de luz são todos os corpos dos quais se podem receber luz, podendo ser fontes primárias ou secundárias.

Fontes primárias: Também chamadas de corpos luminosos, são corpos que emitem luz própria, como por exemplo, o Sol, as estrelas, a chama de uma vela, uma lâmpada acesa,...

Fontes secundárias: Também chamadas de corpos iluminados, são os corpos que enviam a luz que recebem de outras fontes, como por exemplo, a Lua, os planetas, as nuvens, os objetos visíveis que não têm luz própria,...

Quanto às suas dimensões, uma fonte pode ser classificada como:Pontual ou puntiforme: uma fonte sem dimensões consideráveis que emite infinitos raios de luz.

Extensa: uma fonte com dimensões consideráveis em relação ao ambiente.

Meios de propagação da luz

Os diferentes meios materiais comportam-se de forma diferente ao serem atravessados pelos raios de luz, por isso são classificados em: Meio transparenteÉ um meio óptico que permite a propagação regular da luz, ou seja, o observador vê um objeto com nitidez através do meio. Exemplos: ar, vidro comum, papel celofane, etc...

Meio translúcidoÉ um meio óptico que permite apenas uma propagação irregular da luz, ou seja, o observador vê o objeto através do meio, mas sem nitidez.

Meio opacoÉ um meio óptico que não permite que a luz se propague, ou seja, não é possivel ver um objeto através do meio.

Fenômenos ópticos Ao incidir sobre uma superfície que separa dois meios de propagação, a luz sofre algum, ou mais do que um, dos fenômenos a seguir: Reflexão regularA luz que incide na superfície e retorna ao mesmo meio, regularmente, ou seja, os raios incidentes e refletidos são paralelos. Ocorre em superfícies metálicas bem polidas, como espelhos.

Reflexão difusaA luz que incide sobre a superfície volta ao mesmo meio, de forma irregular, ou seja, os raios incidentes são paralelos, mas os refletidos são irregulares. Ocorre em superfícies rugosas, e é responsável pela visibilidade dos objetos.

RefraçãoA luz incide e atravessa a superfície, continuando a se propagar no outro meio. Ambos os raios (incidentes e refratados) são paralelos, no entanto, os raios refratados seguem uma trajetória inclinada em relação aos incididos. Ocorre quando a superfície separa dois meios transparentes.

AbsorçãoA luz incide na superfície, no entanto não é refletida e nem refratada, sendo absorvida pelo corpo, e aquecendo-o. Ocorre em corpos de superfície escura.

Princípio da independência dos raios de luz Quando os raios de luz se cruzam, estes seguem independentemente, cada um a sua trajetória

Princípios

Princípio da propagação retilínea da luz Todo o raio de luz percorre trajetórias retilíneas em meios transparentes e homogêneos.

EVIDÊNCIAS DA PROPAGAÇÃO RETILÍNEA DA LUZ. a) Sombra e Penumbra

Sombra e penúmbra

Quando um corpo opaco é colocado entre uma fonte de luz e um anteparo é possível delimitar regiões de sombra e penúmbra. A sombra é a região do espaço que não recebe luz direta da fonte. Penúmbra é a região do espaço que recebe apenas parte da luz direta da fonte, sendo encontrada apenas quando o corpo opaco é posto sob influência de uma fonte extensa. Ou seja:

Fonte de luz puntiforme

Fonte de luz extensa

A formação da Sombra é uma característica da fonte Pontual.

Quando a fonte é extensa teremos a formação de Sombra e Penumbra.

(PUCC) Um observador nota que um edifício projeta no solo uma sombra de 30m de comprimento, no instante em que um muro de 1,5m de altura projeta uma sombra de 50cm. Determine a altura do edifício.

Câmara escura de orifício Uma câmara escura de orifício consiste em um equipamento formado por uma caixa de paredes totalmente opacas, sendo que no meio de uma das faces existe um pequeno orifício.Ao colocar-se um objeto, de tamanho o, de frente para o orifício, a uma distância p, nota-se que uma imagem refletida, de tamanho i, aparece na face oposta da caixa, a uma distância p', mas de foma invertida. Conforme ilustra a figura:

Desta forma, a partir de uma semelhança geométrica pode-se expressar a seguinta equação: Sendo esta conhecida como a Equação

da câmara escura.

Um pouco mais de Fenômenos Ópticos

Reflexão é o fenômeno que consiste no fato de a luz voltar a se propagar no meio de origem, após incidir sobre uma superfície de separação entre dois meios.

Refração é o fenômeno que consiste no fato de a luz passar de um meio para outro diferente.Durente uma reflexão são conservadas a frequência e a velocidade de propagação, enquanto durante a refração, apenas a frequência é mantida constante. Reflexão e refração regularAcontece quando, por exemplo, um feixe cilíndrico de luz atinge uma superfície totalmente lisa, ou tranquila, desta forma, os feixes refletidos e refratados também serão cilíndricos, logo os raios de luz serão paralelos entre si.

Reflexão e refração difusaAcontece quando, por exemplo, um feixe cilíndrico de luz atinge uma superfície rugosa, ou agitada, fazendo com que os raios de luz refletidos e refratados tenham direção aleatória por todo o espaço. Reflexão e refração seletivaA luz branca que recebemos do sol, ou de lâmpadas fluorescentes, por exemplo, é policromática, ou seja, é formada por mais de uma luz monocromática, no caso do sol, as sete do arco-íris: vermelho, alaranjado, amarelo, verde, azul, anil e violeta.Sendo assim, um objeto ao ser iluminado por luz branca "seleciona" no espectro solar as cores que vemos, e as refletem de forma difusa, sendo assim, vistas por nós.

Se um corpo é visto branco, é porque ele reflete todas as cores do espectro solar.

Se um corpo é visto vermelho, por exemplo, ele absorve todas as outras cores do espectro, refletindo apenas o vermelho.

Se um corpo é "visto" negro, é por que ele absorve todas as cores do espectro solar.

Chama-se filtro de luz a peça, normalmente acrílica, que deixa passar apenas um das cores do espectro solar, ou seja, um filtro vermelho, faz com que a única cor refratada de forma seletiva seja a vermelha.

Quantas vezes você já se perguntou: Quantas cores existem? Quantas cores eu posso enxergar?Essas perguntas têm várias teorias que explicam:A cor é uma percepção visual provocada pela ação de um feixe de fótons sobre células especializadas da retina, que transmitem através de informação pré-processada no nervo óptico, impressões para o sistema nervoso.A cor de um material é determinada pelas médias de frequência dos pacotes de onda que as suas moléculas constituintes refletem. Um objeto terá determinada cor se não absorver justamente os raios correspondentes à freqüência daquela cor.Assim, um objeto é vermelho se absorve preferencialmente as frequências fora do vermelho.

CORES

A cor é relacionada com os diferentes comprimento de onda do espectro eletromagnético. São percebidas pelas pessoas, em faixa específica (zona do visível), e por alguns animais através dos órgaos de visão, como uma sensação que nos permite diferenciar os objetos do espaço com maior precisão.Considerando as cores como luz, a cor branca resulta da sobreposição de todas as cores, enquanto o preto é a ausência de luz. Uma luz branca pode ser decomposta em todas as cores (o espectro) por meio de um prisma. Na natureza, esta decomposição origina um arco-íris.

ESTUDO DAS CORES

Sabe-se bem pelos psicólogos a influência emocional que desencadeiam as cores no espírito humano. As respostas emocionais variam enormemente dependendo da cor e da intensidade desta, assim como das diferentes combinações de cores que se podem dar. Normalmente cada cor individual leva associado um conjunto de emoções e associações de idéias que lhes são "próprias". Há que destacar que estas emoções associadas correspondem à cultura ocidental, já que em outras culturas as cores podem expressar sentimentos totalmente opostos aos acima indicados (por exemplo, no Japão a cor branca simboliza a morte). As sensações que produzem as cores dependem de fatores culturais e ambientais, e muitas vezes dos próprios prejuízos do usuário. Ademais há que somar a isto que nem todas as pessoas vêem as cores da mesma forma, já que há pessoas que só podem ver bem a gama azul / laranja, outros o vermelho / verde e outras degeneram o branco / preto. Inclusive se percebem as cores de forma diferente com o olho direito que com esquerdo. Vamos estudar a seguir as propriedades psicológicas das principais cores e suas combinações mais acertadas.

Vermelho O vermelho é a única cor brilhante de verdade e pura em sua composição. É exultante e agressiva. É o símbolo da paixão ardente e desenfreada, da sexualidade e do erotismo. É uma cor cálida associada com o sol e o calor, de tal maneira que é possível se sentir mais aquecido em um ambiente pintado de vermelho, embora objetivamente a temperatura não tenha variado. Seu nome procede do latim "russus". O vermelho é a cor do sangue, da paixão, da força bruta e do fogo. Utiliza-se nas festas do Espírito Santo, iluminando a chama do amor divino, e nas festas de Semana Santa e Pentecostes. Cor fundamental, ligada ao princípio da vida, sugere vitalidade, entusiasmo, paixão, agitação, força, sexo, calor, fogo, sangue, amor, audácia, valor, coragem, cólera, crueldade, intensidade e virilidade, estando associado com sentimentos enérgicos, com a excitação apaixonada ou erótica. É a cor mais sensual de todo o círculo cromático.Também sugere alarme, perigo, violência, ira e aborrecimento. Muitos animais e plantas usam o vermelho para indicar sua periculosidade, e o homem o utiliza em todo tipo de indicações de proibição e perigo.O vermelho é uma cor controvertida, podendo ser atrativa e sedutora como uns lábios de mulher pintados lábios de mulher pintados ou desencadear nojo ou enjôo, como quando se contempla uma poça de sangue. Em uma composição pode ser usado para chamar a atenção, para incitar uma ação ou para marcar os elementos mais importantes de uma composição ou página web, porém quando é usado em grande quantidade cansa a vista em excesso.

VerdeO verde é a cor mais tranqüila e sedativa de todas. É a cor da calma indiferente: não transmite alegria, tristeza ou paixão. Seu nome deriva do latim "viridis" (que tem seiva).Está associado a conceitos como Natureza, saúde, dinheiro, frescor, crescimento, abundancia, fertilidade, plantas, bosques, vegetação, primavera, frescor, esmeralda, honra, cortesia, civismo e vigor. O verde que tende ao amarelo cobra força ativa ; se nele predominar o azul será mais sombrio e sofisticado. Significa a esperança, os bens que hão de vir, o desejo de vida eterna. É a cor própria do ano eclesiástico e de grande número de festas, assim como de certos domingos antes de Pentecostes.Dizem que é a cor mais descansada para o olho humano e que tem poder de cura ( será por isso que o uniforme dos cirurgiões são verdes?).

Azul

A cor azul é o símbolo da profundidade. Imaterial e fria, suscita uma predisposição favorável. A sensação de placidez que provoca o azul é distinta da calma ou repouso terrestres, próprios do verde.

É uma cor reservada e entra dentro das cores frias. Expressa harmonia, amizade, fidelidade, serenidade, sossego, verdade, dignidade, confiança, masculinidade, sensualidade e comodidade. Seu nome é de origem incerta, porém parece que procede do sânscrito "rajavarta" (cacheado do rei).

Esta cor se associa com o céu, o mar e o ar. O azul claro pode sugerir otimismo. Quanto mais se clarifica mais perde atração e se torna indiferente e vazio. Quanto mais se escurece mais atrai para o infinito. Possui também a virtude de criar a ilusão óptica de retroceder.

É a cor do céu sem nuvens, sem ameaças, onde voam as aves com liberdade, da água cristalina, fonte de vida para animais e plantas, da Terra, nosso belo planeta azul.

É uma cor que influencia sobre o apetite, diminuindo este, certamente porque não há nenhum alimento azul na natureza, por isso não é aconselhável seu uso para uma página sobre receitas de cozinha ou produtos alimentícios

A resposta emocional à cor

A resposta emocional à cor é função do contexto cultural do usuário. Em culturas ocidentais há una certa correlação entre cor e resposta emocional:

•Vermelho: perigo, alerta, quente, excitante, paixão, sexo.•Azul: masculino, frio, calmo, confiável, estável .•Branco: pureza, honestidade, frio.•Pastel: feminino, sensibilidade, delicadeza, cálido.•Laranja: emocional, positivo, jovem.•Negro: densidade, seriedade, morte, autoridade, poder, estabilidade.•Rosado: feminino, cálido, jovem.•Verde: natureza, conforto, positivo (esperança).

No final do século XVII, Newton realizou experiências que mostraram ser a luz branca uma mistura de todas as cores.Quando iluminado por luz branca, um objeto pode deixar de refletir todas as cores; ao contrário, pode absorver algumas. Assim, um corpo verde, por exemplo, reflete principalmente o verde e absorve as outras cores.Um corpo é branco quando reflete todas as cores e um corpo tem cor negra quando absorve toda a luz que incide sobre ele, isto é, quando não reflete nenhuma das ondas eletromagnéticas do espectro visível. A luz branca é também chamada de luz policromática, enquanto uma luz de cor pura, como o verde, por exemplo, é chamada luz monocromática.A cor não é uma característica própria do objeto, mas depende da luz que o ilumina. Um corpo vermelho, quando iluminado por luz branca, absorve todas as cores, exceto a radiação vermelha, que é refletida. Se esse corpo for iluminado por luz monocromática amarela, por exemplo, ele será visto como um objeto preto, pois o amarelo é absorvido e não há vermelho para ser refletido.

Resumindo um objeto iluminado .........com relação as cores...

Uma cor é como seu cérebro interpreta determinados e específicos comprimentos de onda. Para tais freqüências serem identificados pelo seu nervo ótico, antes ela precisa ser refletida, o que significa que tudo o que um belo céu azul NÃO é, é azul. Que uma rosa vermelha NÃO é vermelha. Quem não estudou o disco de luz de Newton? Ele têm todas as cores do espectro, ao girar rapidamente ele fica branco. Pois um feixe de luz possui em si todas as cores – todo o espectro. Ao bater em gotas d’água, o feixe se decompõe e revela todas suas cores: isto é um arco-íris. Ao bater em uma rosa, a superfície da mesma irá absorver todo o espectro de cores, com exceção da freqüência que nosso cérebro identifica com o vermelho.

A primeira representação do espectro foi proposta por Sir Isaac Newton, que combinou as cores em um círculo.