Entenda os estudos da óptica

Óptica é o estudo em Física que fica responsável por avaliar e observar os fenômenos associados à luz. Existem alguns registros datados em 2.283 a.C., onde já eram utilizados cristais de rocha para observar as estrelas.

Desta forma, os estudos da Óptica se dedicam ao estudo relacionados à luz. São estudados os fenômenos da refração, reflexão, difração, dispersão, formação de imagens em espelhos e lentes, interação entre a luz e os objetos e os diversos instrumentos ópticos.

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Entenda os Estudos da Óptica

Óptica é o estudo em física que fica responsável por avaliar e observar os fenômenos associados à luz
Óptica é o estudo em Física que fica responsável por avaliar e observar os fenômenos associados à luz

Principais pensadores a estudar óptica

O grande salto no estudo da Óptica ocorreu no século XVI quando Galileu Galilei apresentou o primeiro telescópio, no ano de 1609, e Snell Descartes chegou à Lei da refração. Além disso, existiam também estudos sobre a velocidade da luz nessa época, onde o valor encontrado foi c = 3,08. 1010 cm/s, obtido por Bradley, em 1728.

Além dos mais notáveis citados anteriormente, outro importante nome para a evolução dos estudos sobre a Óptica foi o de Huygens, que, no ano de 1678, apresentou a hipótese de que a luz seria uma onda. 

Isaac Newton deixou suas contribuições na área com a teoria da variação do índice de refração da luz pela variação da cor, que pode ser observada na dispersão da luz ao passar por um prisma, que se tornou símbolo dos estudos de Óptica.

Em 1801 Young realizou a experiência da interferência da luz, a explicando a partir da teoria ondulatória. E em seguida, Fresnell explicou a teoria da difração da luz também por meio da teoria ondulatória.

Foucault descobriu que a velocidade da luz era maior no ar do que na água.

James Clerk Maxwell foi responsável por descobrir a principal evidência de que a luz comportava-se como uma onda eletromagnética, provando que a velocidade de propagação de uma onda eletromagnética no espaço era igual à velocidade de propagação da luz.

A teoria de que a luz comportava-se apenas como uma onda eletromagnética foi questionada no final do século XIX por Einstein, que utilizou a teoria de Planck para mostrar que a luz era formada por fótons. A partir dessa teoria, Arthur Compton demonstrou que, quando um fóton e um elétron colidem, ambos se comportam como matéria, e então, a luz passou a ser considerada como onda e como partícula, dependendo do fenômeno estudado, sendo essa teoria chamada de natureza dual da luz.

Galileu galilei apresentou o primeiro telescópio, no ano de 1609
Galileu Galilei apresentou o primeiro telescópio, no ano de 1609

Óptica geométrica e física

Os estudos de Óptica são divididos em óptica geométrica e física

Óptica geométrica

É a divisão da Óptica que estuda a propagação da luz por meio dos raios de luz, estudando fenômenos como: propagação retilínea da luz, reflexão e refração da luz, espelhos e lentes.

A óptica geométrica interpreta a luz como segmentos de reta, chamados raios de luz, sendo que estes são usados para ilustrar a direção e o sentido de propagação da luz. Grande parte dos fenômenos luminosos que observamos diariamente podem ser explicados com as contribuições da óptica geométrica, como as sombras, os eclipses e a reflexão da luz.

Por meio da óptica geométrica podemos explicar facilmente como ocorre a formação de imagens em sistemas ópticos refletores, como espelhos planos e esféricos, mas também em sistemas ópticos refratores, como lentes delgadas, prismas e outros.

Princípios da óptica geométrica

Explica como os raios de luz se comportam em variadas situações, sendo válidos sob condições específicas que envolvem meios ópticos homogêneos (índice de refração constante) e isotrópicos (apresentam as mesmas propriedades, independentemente da direção). São eles:

  • Princípio da propagação retilínea da luz: define que os raios de luz propagam-se em linha reta
  • Princípio da independência dos raios de luz: ao se cruzarem, dois raios de luz atravessam um ao outro como se inexistissem mutuamente
  • Princípio da reversibilidade dos raios de luz: o sentido de propagação dos raios de luz é reversível

Óptica física ou ondulatória

Estuda o comportamento ondulatório da luz, sendo estudados nessa área, os fenômenos: emissão, composição, absorção, polarização, interferência e difração da luz.

É a divisão da óptica que interpreta a luz como uma onda eletromagnética, com frequência e comprimento de onda bem definidos. A óptica ondulatória permite a compreensão de fenômenos que não podem ser explicados pela óptica geométrica, tais como a interferência, difração, polarização etc.

Conceitos da óptica

Confira neste tópico alguns conceitos fundamentais para o seu estudo da óptica.

Fontes de luz

São qualquer corpo que emana luz, podem ser separados em dois tipos básicos de fontes de luz: primárias e secundárias:

  • Fontes primárias: são os corpos que produzem luz, também chamados de corpos luminosos. São exemplos de fontes primárias o Sol e outras estrelas, a chama de uma vela, uma lâmpada acesa, a resistência de uma churrasqueira elétrica ligada etc
  • Fontes secundárias: são os corpos que apenas refletem a luz que incide sobre eles e, por isso, são conhecidos como corpos iluminados. São exemplos de fontes secundárias: a Lua, seres humanos, vegetais etc.

Além das classificações relacionadas à forma como a luz emerge dos corpos, as fontes de luz podem ser divididas entre fontes puntiformes e fontes extensas, confira:

  • Fontes puntiformes: são aquelas que têm dimensões desprezíveis, ou seja, são muito pequenas em relação ao observador, como as estrelas, o pixel de uma televisão, uma lanterna acesa a vários quilômetros de distância etc.
  • Fontes extensas: são fontes de luz cujo tamanho não pode ser desconsiderado, pois suas dimensões são comparáveis às do cenário que é iluminado, como o Sol e Lua.

Cores

Quando uma luz branca incide sobre quaisquer objeto, parte dela será absorvida por ele, sendo que, essa luz que foi absorvida pode ser transmitida diretamente para os átomos, fornecendo energia térmica. No entanto, parte da luz incidente será refletida de volta, definindo a cor dos corpos iluminados. Dessa forma, quando olhamos para uma bola vermelha, só a vemos assim porque seus átomos não são capazes de absorver a luz vermelha.

Dessa forma, quando olhamos para uma bola vermelha, só a vemos assim porque seus átomos não são capazes de absorver a luz vermelha
Dessa forma, quando olhamos para uma bola vermelha, só a vemos assim porque seus átomos não são capazes de absorver a luz vermelha

Luz monocromática

É aquela que apresenta idealmente uma única frequência, ou seja, uma única cor. A luz branca, por exemplo, é policromática, ou seja, é composta por diversas frequências de luz.

Meios ópticos

Os meios ópticos são os meios físicos pelos quais a luz se propaga, eles podem ser divididos em transparentes, translúcidos ou opacos.

  • Meios transparentes: são aqueles em que a luz consegue ser transmitida com pouca ou nenhuma perda de intensidade, além disso, é possível enxergar com nitidez através deles, como o vácuo, ar, vidro etc.
  • Meios translúcidos: permitem a transmissão parcial da luz, no entanto, não é possível enxergar através desses meios com nitidez, por exemplo a névoa, papel vegetal, vidro fosco etc.
  • Meios opacos: interrompem a passagem da luz, refletindo-a ou absorvendo-a. Podemos citar como exemplos as paredes, ossos, metais etc.

A opacidade de um meio óptico vai depender de diversos fatores, como a densidade e a distância percorrida pela luz, além também da frequência dela. Alguns meios podem ser opacos apenas para algumas frequências, ou seja, barram a passagem de cores específicas.

Sistemas ópticos

São os meios ópticos que ficam dispostos em formas e tamanhos diferentes, usados principalmente para manipular a direção da propagação da luz. Esses sistemas ópticos podem ser divididos em refletores e refratores.

  • Sistemas ópticos refletores: superfícies polidas, espelhos planos, espelhos esféricos, etc
  • Sistemas ópticos refratores: dioptros planos, lentes esféricas côncavas e convexas, etc

Sombra e penumbra

As sombras são fenômenos produzidos quando existe algum meio opaco que intercepta os raios de luz, formando uma região do espaço onde não há incidência direta dos raios de luz, chamada de sombra.

Já a penumbra, é parcialmente iluminada pelos raios de luz e é localizada em uma região de transição entre a sombra e a luminosidade. As penumbras são produzidas quando objetos opacos são iluminados por fontes extensas de luz.

Exemplo de sombra e penumbra
Exemplo de sombra e penumbra

Fenômenos ópticos

Os chamados fenômenos ópticos são os eventos que podem ser observados no cotidiano e que ocorrem pela interação da luz com a matéria. São eles: reflexão, refração, absorção, transmissão, difração, interferência e polarização.

Reflexão

A reflexão corre quando a luz incide sobre uma superfície refletora e retorna para o meio de propagação de origem. Desta forma, existem dois tipos de reflexão: regular e difusa.

No caso da reflexão regular, os ângulos de incidência e reflexão dos raios são iguais, sendo assim, os raios incidente e refletido se encontram no mesmo plano, possibilitando a formação de imagens refletidas. Quando a luz é refletida numa superfície lisa e polida, ela reflete-se numa só direção como ocorre no espelho.

Já na reflexão difusa, não é possível enxergar imagens refletidas, é um fenômeno que acontece, por exemplo, em uma folha sulfite.

Refração

A refração é um fenômeno que caracteriza a passagem da luz através de dois meios de diferentes índices de refração.

Isto é, quando a luz atravessa meios com diferentes refringências, sua velocidade de propagação muda, fazendo com que possam ocorrer desvios laterais em sua trajetória. É a distorção que podemos observar com um objeto dentro de um copo d’água e fora do mesmo.

Exemplo de refração
Exemplo de refração

Absorção

A absorção é o fenômeno que ocorre quando, em que uma parte ou até mesmo toda a luz incidente sobre um corpo é absorvida.

Os corpos capazes de absorver toda a luz incidente sobre ele são conhecidos como corpos negros. Já ouviu falar que roupa preta é mais quente porque absorve a luz? É mais ou menos isso.

Porém, a maioria dos corpos não são negros, isto é, absorvem somente uma parte da luz incidente. A cor das fontes secundárias de luz é determinada pelo espectro de absorção daquele corpo, em outras palavras, sua capacidade de absorver determinadas frequências da luz visível.

Transmissão

É o processo onde a luz atravessa um meio óptico translúcido ou transparente. 

Ao ser transmitida através desses tipos de meios, a luz tem sua sua velocidade possivelmente alterada, bem como sua direção de propagação, o que caracteriza uma refração.

Difração

O fenômeno da difração ocorre quando a luz atravessa uma fenda de dimensões parecidas com seu comprimento de onda.

Desta maneira, a fenda passa a produzir frentes de ondas circulares, e, a diferença entre os espaços percorridos pelas frentes de ondas esféricas produz um padrão de interferência, que produz regiões de alta intensidade luminosa, seguidas de regiões de baixa intensidade luminosa.

Interferência

É um fenômeno onde a diferença de fase entre duas ou mais ondas produz regiões de alta ou baixa intensidade luminosa. A interferência pode ser dividida em dois tipos, a construtiva e a destrutiva.

Chamamos de interferência construtiva a interação entre ondas que produz ondas de maior amplitude; e de interferência destrutiva, a produção de ondas de amplitude mais baixa ou até mesmo nula em alguns pontos do espaço.

Polarização

É o nome que se dá ao processo que seleciona qual deve ser a direção de oscilação do campo elétrico de uma onda eletromagnética. Para que isso aconteça, a onda deve passar através de um polarizador, que por sua vez, eliminará todas as componentes do campo elétrico que não oscilem na direção desejada.

FAQ – Perguntas Frequentes Óptica

O que é óptica?

Óptica é o estudo em Física que fica responsável por avaliar e observar os fenômenos associados à luz. Existem alguns registros datados em 2.283 a.C., onde já eram utilizados cristais de rocha para observar as estrelas.
Desta forma, os estudos da Óptica se dedicam ao estudo relacionados à luz. São estudados os fenômenos da refração, reflexão, difração, dispersão, formação de imagens em espelhos e lentes, interação entre a luz e os objetos e os diversos instrumentos ópticos.

O que é óptica geométrica?

É a divisão da Óptica que estuda a propagação da luz por meio dos raios de luz, estudando fenômenos como: propagação retilínea da luz, reflexão e refração da luz, espelhos e lentes.
A óptica geométrica interpreta a luz como segmentos de reta, chamados raios de luz, sendo que estes são usados para ilustrar a direção e o sentido de propagação da luz. Grande parte dos fenômenos luminosos que observamos diariamente podem ser explicados com as contribuições da óptica geométrica, como as sombras, os eclipses e a reflexão da luz.
Por meio da óptica geométrica podemos explicar facilmente como ocorre a formação de imagens em sistemas ópticos refletores, como espelhos planos e esféricos, mas também em sistemas ópticos refratores, como lentes delgadas, prismas e outros.

Quais os princípios da óptica geométrica?

Explica como os raios de luz se comportam em variadas situações, sendo válidos sob condições específicas que envolvem meios ópticos homogêneos (índice de refração constante) e isotrópicos (apresentam as mesmas propriedades, independentemente da direção). São eles:
Princípio da propagação retilínea da luz: define que os raios de luz propagam-se em linha reta
Princípio da independência dos raios de luz: ao se cruzarem, dois raios de luz atravessam um ao outro como se inexistissem mutuamente
Princípio da reversibilidade dos raios de luz: o sentido de propagação dos raios de luz é reversível

O que é óptica física?

Estuda o comportamento ondulatório da luz, sendo estudados nessa área, os fenômenos: emissão, composição, absorção, polarização, interferência e difração da luz.
É a divisão da óptica que interpreta a luz como uma onda eletromagnética, com frequência e comprimento de onda bem definidos. A óptica ondulatória permite a compreensão de fenômenos que não podem ser explicados pela óptica geométrica, tais como a interferência, difração, polarização etc.

O que são fontes de luz?

São qualquer corpo que emana luz, podem ser separados em dois tipos básicos de fontes de luz: primárias e secundárias:
Fontes primárias: são os corpos que produzem luz, também chamados de corpos luminosos. São exemplos de fontes primárias o Sol e outras estrelas, a chama de uma vela, uma lâmpada acesa, a resistência de uma churrasqueira elétrica ligada etc
Fontes secundárias: são os corpos que apenas refletem a luz que incide sobre eles e, por isso, são conhecidos como corpos iluminados. São exemplos de fontes secundárias: a Lua, seres humanos, vegetais etc.
Além das classificações relacionadas à forma como a luz emerge dos corpos, as fontes de luz podem ser divididas entre fontes puntiformes e fontes extensas, confira:
Fontes puntiformes: são aquelas que têm dimensões desprezíveis, ou seja, são muito pequenas em relação ao observador, como as estrelas, o pixel de uma televisão, uma lanterna acesa a vários quilômetros de distância etc.
Fontes extensas: são fontes de luz cujo tamanho não pode ser desconsiderado, pois suas dimensões são comparáveis às do cenário que é iluminado, como o Sol e Lua.

O que são cores?

Quando uma luz branca incide sobre quaisquer objeto, parte dela será absorvida por ele, sendo que, essa luz que foi absorvida pode ser transmitida diretamente para os átomos, fornecendo energia térmica. No entanto, parte da luz incidente será refletida de volta, definindo a cor dos corpos iluminados. Dessa forma, quando olhamos para uma bola vermelha, só a vemos assim porque seus átomos não são capazes de absorver a luz vermelha.

O que é luz monocromática?

É aquela que apresenta idealmente uma única frequência, ou seja, uma única cor. A luz branca, por exemplo, é policromática, ou seja, é composta por diversas frequências de luz.

O que são meios ópticos?

Os meios ópticos são os meios físicos pelos quais a luz se propaga, eles podem ser divididos em transparentes, translúcidos ou opacos.
Meios transparentes: são aqueles em que a luz consegue ser transmitida com pouca ou nenhuma perda de intensidade, além disso, é possível enxergar com nitidez através deles, como o vácuo, ar, vidro etc.
Meios translúcidos: permitem a transmissão parcial da luz, no entanto, não é possível enxergar através desses meios com nitidez, por exemplo a névoa, papel vegetal, vidro fosco etc.
Meios opacos: interrompem a passagem da luz, refletindo-a ou absorvendo-a. Podemos citar como exemplos as paredes, ossos, metais etc.
A opacidade de um meio óptico vai depender de diversos fatores, como a densidade e a distância percorrida pela luz, além também da frequência dela. Alguns meios podem ser opacos apenas para algumas frequências, ou seja, barram a passagem de cores específicas.

O que são sistemas ópticos?

São os meios ópticos que ficam dispostos em formas e tamanhos diferentes, usados principalmente para manipular a direção da propagação da luz. Esses sistemas ópticos podem ser divididos em refletores e refratores.
Sistemas ópticos refletores: superfícies polidas, espelhos planos, espelhos esféricos, etc
Sistemas ópticos refratores: dioptros planos, lentes esféricas côncavas e convexas, etc

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