Princípios da óptica

Os avanços tecnológicos permitem facilitar a rotina do ser humano. Nesse sentido a fibra óptica nos proporcionou uma grande revolução na eficiência de transmissão de dados e um grande salto para exames medicinais. Saiba como investigando aqui, no Curso Enem Gratuito!

A óptica é um ramo da física destinado ao estudo dos fenômenos luminosos e se baseia em três princípios básicos: propagação retilínea da luz, reversibilidade dos raios luminosos e independência dos raios de luz.

O princípio da propagação retilínea da luz diz que nos meios homogêneos e transparentes, a luz se propaga em linha reta. É por causa desse princípio que existem sombras, penumbras e eclipses.

princípios da óptica - sombra
Formação de uma sombra. F é uma fonte de luz, C é um obstáculo para barrar a passagem de luz e A é um anteparo onde verificamos o surgimento de uma sombra S, baseado no princípio da propagação retilínea da luz.

O princípio da reversibilidade dos raios luminosos afirma que a trajetória seguida pela luz independe do sentido de sua propagação. Isso explica por que quando olhamos para um passageiro no banco traseiro de um carro através de um retrovisor, o passageiro também nos enxerga.

princípios da óptica - motorista
A motorista visualiza o passageiro (que é você) e o passageiro vê a motorista simultaneamente devido ao fato de a luz seguir a mesma trajetória não importando seu sentido

O último princípio diz que quando dois raios de luz se cruzam, cada um deles segue sua trajetória como se o outro não existisse.

princípios da óptica - raios
Os raios luminosos da fotografia percorrem suas trajetórias independentemente da existência do outro que cruza seu caminho devido ao princípio da independência dos raios de luz
Você pode encontrar mais informações sobre esses princípios e noções básicas de óptica na videoaula do professor Alfredo Sotto:

É imprescindível que você faça uma revisão dessas considerações iniciais antes de estudar os fenômenos de reflexão e refração pois serão utilizadas nomenclaturas que supomos já adquiridas pelos alunos. Conhecendo bem esses conceitos e princípios que alicerçam a óptica passamos ao estudo do fenômeno de reflexão.

Leis da reflexão em espelhos planos

Antes de enunciarmos as leis da reflexão é preciso saber o que é reflexão. Para isso, considere que um feixe de luz incida sobre uma interface que divide dois meios, como na figura abaixo. No ponto de incidência na interface traçamos uma reta normal N (que faz um ângulo de 90° com a superfície).

Três fenômenos ocorrem na incidência: parte do raio é refletido, parte é refratado e parte é absorvido. Se o raio luminoso incidente incidir na superfície e retornar ao meio 1 houve reflexão e se o raio de luz mudar o meio de propagação (passar do meio 1 para o meio 2) ocorre o fenômeno de refração. A absorção se dá pela absorção da energia luminosa pelas moléculas contidas na interface dos meios.

princípios da óptica - luz
Fenômenos ópticos que ocorrem com a luz ao incidir sobre uma interface que divide dois meios

Dito isso, passamos às leis da reflexão, que são duas. A primeira diz que o raio incidente, a reta normal e o raio refletido estão localizados sobre o mesmo plano. Isso é fácil de observar a parti da figura acima. A segunda lei diz que o ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência. Para saber qual são esses ângulos, basta notar a figura abaixo.

princípios da óptica - raio
Na figura RI é raio incidente, RR é raio refletido, i é o ângulo de incidência e r é o ângulo de reflexão. S é a superfície refletora.

Observação: pra que uma superfície seja considerada refletora ela deve estar bem polida e o meio 2 deve ser opaco. Nessas condições chamamos a superfície S da figura acima de espelho.

princípios da óptica - lei da reflexão
Ilustração da segunda lei da reflexão

Refração

Você provavelmente já deve ter observado que um canudo fica parecendo estar “quebrado” quando inserido obliquamente num líquido, como na figura abaixo. Esta ilusão de óptica é explicada pelo que chamamos em física de refração da luz, ou seja, quando a luz muda seu meio de propagação.

princípios da óptica - líquido
Canudo inserido no interior de um líquido parece estar quebrado

Já vimos que quando a luz se propaga de um meio e incide sobre uma superfície podem ocorrer os fenômenos de reflexão, refração e absorção. A refração ocorrerá se o segundo meio for transparente, por exemplo, um feixe de luz mudando sua propagação do ar para água.

Determinamos se um meio é mais transparente/homogêneo que outro através do índice de refração n, ou refringência, que nada mais é do que a fração entre a velocidade da luz no vácuo c pela velocidade da luz v no meio em análise. Matematicamente:

princípios da óptica - luz
Observação: O índice de refração é uma quantidade física adimensional, ou seja, não possui unidade de medida, pois se trata da divisão de duas velocidades.

A refração da luz é baseada principalmente na lei de Snell-Descartes. Observe a figura abaixo onde um feixe de luz se propaga de um meio 1 para o meio 2, cujos índices de refração são respectivamente 

princípios da óptica - gráfico
A lei de Snell-Descartes pode ser expressa matematicamente pela seguinte equação:

luz 10
Quando a luz se propaga do meio mais refringente para o menos refringente, nem todo feixe de luz sofrerá refração. Observe a sucessão de figuras abaixo.

Na incidência normal da figura A, não corre desvio, pois o ângulo de incidência é de 90°. Se aumentarmos gradualmente o ângulo de incidência i a refração somente ocorrerá até que o ângulo de incidência atinja o valor limite L. Se continuarmos aumentando o ângulo de incidência, o raio luminoso não refrata mais e sim é totalmente refletido. A este fenômeno damos o nome de reflexão interna total.

princípios da óptica - raio luminoso

princípios da óptica - fibra óptica
Fibra óptica usada comercialmente

As fibras ópticas utilizadas na transmissão de dados de internet se baseiam nesse fenômeno. Elas são construídas de tal forma que o índice de refração da fibra seja maior que o índice de refração do ar. A luz é introduzida em uma das extremidades de uma fibra óptica (como as da figura abaixo) e é transmitida para a extremidade oposto quase sem perdas de sinal, devido à reflexão interna total que ocorre nas paredes da fibra.

As fibras ópticas são utilizadas em vários ramos da tecnologia como nas redes telefônicas, em cabos submarinos, TV a cabo, na medicina elas são utilizadas para iluminar o interior dos órgãos em alguns exames e cirurgias.

Fique agora com algumas questões de vestibulares para fixar os conceitos abordados neste post e até a próxima.

1) UFMS

A respeito da natureza da luz, é correto afirmar que

(01) a luz é uma onda eletromagnética.
(02) a luz tem uma natureza de partícula.
(04) a velocidade da luz é uma constante independente do meio em que se propaga.
(08) a velocidade da luz, no vácuo, é a mesma em todos os sistemas de referência inerciais.
(16) a velocidade da luz, no vácuo, estabelece um limite superior de velocidade.

Dê, como resposta, a soma das alternativas corretas.

2) UFMT

“O último eclipse total do sol neste século para o hemisfério sul aconteceu na manhã de 3 de novembro de 1994. Faltavam 15 minutos para as 10 h, na cidade de Foz do Iguaçu, no Paraná. Em qualquer dia normal, o sol da primavera já estaria brilhando bem acima do horizonte, mas esse não foi um dia normal (…) Durante o eclipse, a gigantesca sombra, com 200 km de diâmetro progrediu a 3000 km por hora do Oceano Pacífico para a América do Sul. Entrou no Brasil por Foz do Iguaçu e saiu para o Oceano Atlântico, sobre a divisa dos estados de Santa Catarina e Rio Grande do Sul”.
(Revista Superinteressante. Ano 8, nº 10, Outubro, 1994, p. 46)

Em relação ao fenômeno físico descrito no texto, julgue as afirmações como verdadeiras ou falsas.

(V)(F) A Lua se coloca entre o Sol e a Terra, impedindo que a luz atinja uma parte da superfície terrestre.
(V)(F) A Terra se coloca entre a Lua e o Sol, projetando sua sombra na Lua.
(V)(F) No trecho onde passa a sombra, os observadores podem ver o eclipse parcial do Sol.
(V)(F) O tempo estimado de duração do eclipse é de quatro minutos.
(V)(F) Os eclipses são explicados geometricamente pelo princípio de propagação retilínea da luz.

3) UEMS

Um raio de luz, propagando-se no ar incide sobre uma placa de vidro conforme mostra a figura. Sendo o índice de refração do ar nar = 1, qual é o índice de refração do vidro?

princípios da óptica - exercício
4) UFRN

Uma fibra ótica, mesmo encurvada, permite a propagação de um feixe luminoso em seu interior, de uma extremidade à outra, praticamente sem sofrer perdas (veja a figura abaixo).

princípios da óptica - feixe luminoso
A explicação física para o fato acima descrito é a seguinte:
Como o índice de refração da fibra ótica, em relação ao índice de refração do ar, é:

a) baixo, ocorre a reflexão interna total.
b) alto, ocorre a reflexão interna total.
c) alto, a refração é favorecida, dificultando a saída do feixe pelas laterais.
d) baixo, a refração é favorecida, dificultando a saída do feixe pelas laterais.

Gabarito:

1) 27

2) VFFVV

3) 29

4) 250 N/m²

Sobre o(a) autor(a):

O texto acima foi elaborado pelo Prof. Dr. Fernando Henrique Martins. Fernando é bacharel e licenciado em Física pela Universidade de Brasília, possui Mestrado (pela UnB) e Doutorado em Nanotecnologia pela Université Pièrre et Marie Curie (Paris/França). Foi professor de ciências, matemática e física em várias escolas de Brasília e Florianópolis atuando desde o ensino fundamental ao ensino médio. Fernando também lecionou disciplinas de física para diversos cursos de engenharia e física na Universidade Federal de Santa Catarina. E-mail: [email protected] Facebook: https://www.facebook.com/nando.martins.376?ref=bookmarks