Óptica: o que é, formulas e experimentos!
Se você está se preparando e estudando para o Enem ou os vários vestibulares ao redor do Brasil, com certeza já se deparou com um dos assuntos mais complexos da Física: a Óptica, que se encontra na prova de Ciências da Natureza e Suas Tecnologias, do ENEM.
Os conceitos dentro deste tema são tão vastos que, quando falamos de concursos para instituições de ensino superior, o melhor a se fazer é manter o foco e estudar os assuntos mais cobrados.
Neste post, trouxemos um super resumo sobre a Óptica. Confira e aprenda mais!
O que é óptica?
Óptica é o ramo da Física que tem como objetivo estudar a luz e os fenômenos relacionados a ela. Como a visão é um dos sentidos que mais auxilia no conhecimento, o estudo da óptica é um ramo da ciência bastante antigo, surgindo desde os tempos em que as pessoas passaram a se questionar sobre seu funcionamento.
Assim, a óptica busca explicar, por meio de proposições, os fenômenos relativos à trajetória da luz, seja ela visível, infravermelha ou ultravioleta. Além disso, estuda a natureza constitutiva da luz, causas de defeitos de visão, projeção de imagem, fenômenos e funcionamento relacionados aos espelhos, estruturas do átomo, entre vários outros assuntos.
Existem alguns registros que mostram que, já em 2283 a.C., cristais de rochas eram utilizados para a observação de estrelas no céu. Na Assíria, durante a Idade Antiga, já existia a lente de cristal. Na Grécia Antiga, lentes de vidro já eram utilizadas para criar fogo.
O grande avanço nos estudos sobre a Óptica veio no século XVI, quando Galileu Galilei apresentou ao mundo o primeiro telescópio, no ano de 1609, e Snell Descartes introduziu a Lei da Refração. Além disso, no ano de 1728, Bradley conseguiu calcular a velocidade da luz, chegando ao valor de c = 3.08 x 10¹0 cm/s.
Outro grande nome para o desenvolvimento da Óptica enquanto ciência foi o de Huygens, que apresentou a hipótese de que a luz pudesse ser uma onda, no ano de 1678. Isaac Newton também contribuiu muito para a área, com sua teoria da variação do índice de refração da luz pela variação da cor.
A luz e a óptica
Como falamos há pouco, a luz é o objeto de estudo da óptica. Ela se propaga em todas as direções e em linha reta. Seus fenômenos são os mais variados possíveis, de modo que estudá-los compreende diversas áreas da Física.
Reflexão, refração, difração, são todos fenômenos que incidem sobre a luz, alterando a forma como ela é percebida e como é possível estudá-la.
Princípios fundamentais da óptica
Assim como várias áreas da Física, a Óptica também opera a partir de princípios exclusivos. São eles:
- Princípio da Propagação Retilínea, que diz que a luz sempre se propaga em linha reta;
- Princípio da Independência de Raios de Luz, que prega que os raios de luz são independentes, podendo se cruzar, o que não ocasiona nenhum tipo de mudança em relação à direção seguida por eles;
- Princípio da Reversibilidade da Luz, que atesta que a luz é reversível. Isso significa que, por exemplo, quando vemos alguém por meio de um espelho, com toda certeza essa pessoa também será capaz de nos ver. Assim, raios de luz sempre serão capazes de fazer exatamente o mesmo caminho na direção inversa.
Meios de propagação
A luz pode se propagar em três tipos diferentes de meios: transparentes, translúcidos e opacos.
Os meios transparentes são aqueles que permitem que os raios de luz perpassem de maneira ordenada, possibilitando o reconhecimento nítido dos corpos. Vidro polido e o próprio ar da atmosfera são alguns exemplos de meios transparentes.
Já os meios translúcidos também permitem a passagem dos raios de luz, porém isso acontece de maneira desorganizada, o que resulta em uma imagem sem nitidez. Vidro fosco, plástico, entre outros, são exemplos de corpos que funcionam como meios translúcidos de propagação da luz.
Por fim, os meios opacos são aqueles que impedem completamente que os raios de luz passem através deles, de modo que a visão dos corpos de seu outro lado não é possível. Qualquer objeto que não se enquadre nas duas categorias anteriores é considerado opaco, como pessoas, portas de madeira, concreto, entre vários outros.
Tipos de óptica
O estudo da luz na Óptica pode ser feito por meio de duas abordagens distintas. Assim, esta área do conhecimento se divide em duas subcategorias: a Óptica Geométrica e a Óptica Física.
Óptica Geométrica
A Óptica Geométrica é a área de estudo desse ramo da Física que se concentra na propagação da luz por meio dos raios de luz. Assim, os fenômenos abrangidos por essa área são a propagação retilínea da luz, a reflexão da luz, a refração da luz, os espelhos e as lentes.
Óptica Física
Já a Óptica Física é a área que tem como objetivo se concentrar no comportamento da luz enquanto onda. Assim, os fenômenos estudados por essa área são a emissão de luz, a composição, a absorção, a polarização, a interferência e a difração da luz.
Fórmulas da física óptica
Assim como diversas áreas da Física, a Óptica possui leis e fórmulas que ajudam em seus cálculos e no entendimento de seus fenômenos. A seguir, as fórmulas relativas à Óptica.
Reflexão da Luz
Lei da Refração
i = r
Onde:
- i = ângulo de incidência
- r = ângulo de reflexão
Espelhos
Espelhos planos
A imagem virtual é direta e de tamanho igual ao objeto.
Espelhos convexos e lentes convergentes
A imagem virtual é direta e menor que o objeto.
Associação de espelhos planos
n = 360º / α – 1
Onde:
- n = número de imagens
- α = ângulo de abertura entre os espelhos
Equação de Gauss
1 / f = 1 / di + 1 / do
Onde:
- f = distância focal
- di = distância da imagem
- do = distância do objeto
Ampliação
A = f / f – do
Onde:
- A = ampliação
- f = distância focal
- do = distância do objeto
Refração da Luz
Índice de refração absoluto em um meio
nm = c / vm
Onde:
- nm = índice de refração no meio
- c = velocidade da luz no vácuo
- vm = velocidade da luz no meio
Lei de Snell-Descartes
n1sen(i) = n2sen(r)
Onde:
- n1 = índice de refração do meio 1
- i = ângulo de incidência
- n2 = índice de refração do meio 2
- r = ângulo de refração
Índice relativo de refração entre dois meios
n2,1 = n2 / n1 = sen(i) / sem(r) = v1 / v2 = λ1 / λ2
Onde:
- n2,1 = índice de refração relativo entre os meios 1 e 2
- n1 = índice de refração do meio 1
- n2 = índice de refração do meio 2
- i = ângulo de incidência
- r = ângulo de refração
- v1 = velocidade da luz no meio 1
- v2 = velocidade da luz no meio 2
- λ1 = comprimento de onda no meio 1
- λ2 = comprimento de onda no meio 2
Experimentos de física óptica
Existem diversos experimentos que foram feitos ao longo da história e que ajudam a provar os conceitos e leis da Óptica. Listamos alguns deles a seguir:
Periscópio
Em uma caixa retangular de papelão, madeira ou mesmo em tubos de PVC fechados, são montados dois espelhos, paralelos entre si, num ângulo de 45 graus, sendo um no alto da estrutura e outro na base. Na altura de cada espelho, a caixa possui aberturas.
Assim, pela “janela” superior incidem os raios de luz provenientes do objeto a ser observado. O espelho reflete tais raios para baixo, na direção exata do espelho posicionado na base. Enfim, os raios se desviam em direção ao observador, que se encontra na janela inferior.
O princípio do periscópio é muito conhecido das clássicas ilustrações sobre submarinos, os quais possuíam um aparelho destes para poder ver acima do nível da água, sem que a embarcação precisasse emergir.
Câmara Escura de Orifício
Este é um experimento no qual é possível criar uma “máquina fotográfica” sem a utilização de uma lente. Consiste em uma caixa na qual fazemos, em um de seus lados, um furo muito pequeno, do tamanho da ponta de uma agulha. Na parte de dentro, na face oposta ao furo, inserimos uma janela de papel vegetal esticado.
A primeira câmara escura já feita era, na verdade, um simples quarto escuro, no qual uma das paredes estava um pequeno furo. Uma pessoa no interior dessa câmera consegue ver as imagens de uma paisagem iluminada ou mesmo de um objeto localizado na parte externa.
A grande questão é que a imagem aparece invertida, sendo projetada na parede oposta do orifício. Este experimento prova o princípio de propagação retilínea da luz, uma vez que os pontos altos do objeto em questão são projetados para baixo, e vice-versa. Já a nitidez da imagem está relacionada ao tamanho do furo. Quanto menor for o furo, mais nítida será a imagem.
A ideia deste experimento surgiu no século X, mas apenas no século XIX ele foi utilizado como uma câmera fotográfica, quando as propriedades de sais de prata, sensíveis à luz, foram descobertas. Assim, era possível gravar esta imagem em uma placa devidamente preparada, obtendo o que hoje chamamos de fotografia.
Sombras coloridas
Neste experimento, temos projeção de três fontes de luz coloridas (vermelha, verde e azul) em uma parede branca. Estas são as três cores primárias da luz.
Ao colocarmos um corpo ou objeto no caminho das fontes de luz, surgirá na parede branca três sombras distintas do mesmo. Assim, cada sombra corresponderá a uma fonte de cor diferente.
A sombra da luz vermelha será iluminada pelas luzes verde e azul, de modo que o resultado será uma sombra colorida em ciano. A de luz verde resultará em uma sombra de cor magenta. Por fim, a sombra da luz azul, iluminada pelas luzes verde e vermelha, resultará em uma sombra de cor amarela.
Discos de Newton
Segundo a Lei da Dispersão da Luz, temos que um feixe de luz branca que se decomporá ao atravessar um prisma. O resultado será um espectro colorido, cujas principais cores são vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil e violeta, as mesmas cores do arco-íris.
Este experimento comprova, então, que a luz branca é constituída, na verdade, pela mistura de diversas cores. Porém, as citadas acima são apenas as mais fáceis de se reconhecer ao realizar o experimento.
O caminho inverso também pode ser feito para provar o ponto do experimento. O “disco de Newton” consiste em um disco no qual estão presentes as sete cores principais do arco-íris, que listamos anteriormente. Ao rotacionarmos o disco, podemos ver uma coloração clara e uniforme, mas que não chega a ser branca. Ela é o resultado da mistura das cores pintadas no disco, mas que representam apenas uma reduzida fração da luz visível.
Exercícios de óptica
A melhor maneira de fixar o conteúdo sobre óptica é, obviamente, resolvendo exercícios sobre o tema. Aqui no Stoodi temos uma enorme base de exercícios para você resolver. Veja, abaixo, os exercícios sobre:
- Conceitos Básicos de Óptica;
- Reflexão e Espelhos Planos;
- Espelhos Esféricos;
- Refração;
- Lentes Esféricas;
- Óptica da Visão e Instrumentos Ópticos.
Quer treinar mais um pouco? Então, tente resolver a questão do vestibular da UFRS abaixo:
Uma câmara fotográfica, para fotografar objetos distantes, possui uma lente teleobjetiva convergente, com distância focal de 200 mm. Um objeto real está a 300 m da objetiva; a imagem que se forma, então, sobre o filme fotográfico no fundo da câmara é:
- (A) real, não-invertida e menor do que o objeto.
- (B) virtual, invertida e menor do que o objeto.
- (C) real, invertida e maior do que o objeto.
- (D) virtual, não-invertida e maior do que o objeto.
- (E) real, invertida e menor do que o objeto.
A seguir, você confere a explicação para a questão:
Ao receber a luz incidente, as lentes esféricas reagem se comportando de maneira diferente, o que resulta em diferentes tipos de imagem. Nas lentes convergentes, podemos verificar cinco tipos distintos de imagens, sendo que um deles se aplica às câmeras fotográficas.
Quando o objeto está localizado antes do ponto antiprincipal (corresponde ao dobro do foco em distância do centro óptico da lente), a imagem formada é real, invertida e menor que o objeto observado.
Assim, a resposta correta é a alternativa:
- d) real, invertida e menor que o objeto.
A Óptica é um dos assuntos mais densos e complexos da Física. Envolve tanto a parte teórica, da origem da luz e seus fenômenos, quanto os cálculos matemáticos presentes na área de Óptica Geométrica. Por isso, não basta saber apenas os conceitos, é preciso conhecer as fórmulas e saber como são aplicadas, principalmente nas provas que cobram este tipo de conteúdo.
E aí, curtiu nosso post? Então não deixe de conferir também nossas videoaulas incríveis de Física e a nossa base de exercícios sobre a disciplina!