Quando a luz incide sobre uma superfície refletora plana ocorre a incidência e a reflexão da luz Levando

A LUZ

Definimos como luz uma energia radiante que através dos nossos órgãos visuais nos causa a sensação da visão. Diz-se que a luz é uma energia radiante, pois ela se propaga por meio de ondas eletromagnéticas.

Uma característica importantíssima das ondas eletromagnéticas é a sua enorme velocidade. Todas as ondas eletromagnéticas possuem a mesma velocidade no vácuo que é representada pela letra C e corresponde a maior velocidade possível na natureza. A velocidade da luz no vácuo vale:

c = 300.000 km/s = 3 . 105 km/s = 3 . 108 m/s

Como já foi dito, a velocidade da luz possui este valor no vácuo. Nos meios materiais, a velocidade será menor e diferente para cada onda eletromagnética.

Ano-luz é uma unidade de distância e corresponde à distância percorrida pela luz no vácuo em um ano.

1 ano-luz = 9,5 x 1012 km

FONTES DE LUZ

Uma fonte de luz é qualquer corpo visível, isto é, que emite luz para os nossos olhos.

As fontes podem ser classificadas em:

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Corpo luminoso ou fonte primária: são os que possuem luz própria: O Sol, uma lâmpada ou uma vela acesa etc.

Corpo iluminado ou fonte secundária: são os que não possuem luz própria, eles apenas refletem a luz que incide sobre eles: a Lua, esta apostila que você está lendo, você etc.

Fonte pontual ou puntiforme: são aquelas que possuem dimensões desprezíveis em face de outras dimensões envolvidas: uma estrela nos parecerá um pontinho luminoso, uma lâmpada bem distante do observador também será uma fonte pontual.

Fonte extensa: uma fonte é dita extensa quando não é possível desprezar suas dimensões: uma lâmpada fluorescente próxima do observador.

RAIOS DE LUZ E FEIXES DE LUZ

Raio de Luz: é a representação da trajetória da luz, que indica sua direção e sentido. De cada ponto de uma fonte de luz saem infinitos raios de luz.

Feixe Cônico Convergente: todos os raios de luz convergem para um mesmo ponto. Consegue-se um feixe convergente com a ajuda de uma lente convergente, por exemplo.

Feixe Cônico Divergente: todos os raios de luz divergem de um mesmo ponto. Num farol de automóvel o feixe é divergente, não tão para o alto para não ofuscar o motorista que vem em sentido contrário.

Feixe Cilíndrico Paralelo: os raios luminosos são paralelos. Nos holofotes, o feixe de luz é cilíndrico paralelo

MEIO DE PROPAGAÇÃO

Quanto à propagação da luz, os meios podem ser classificados em:

transparente – é aquele meio que permite a visualização nítida dos objetos, pois a luz se propaga em trajetórias bem definidas;

translúcido – permite a visualização não claramente, devido às trajetórias distorcidas da luz;

opaco – não ocorre propagação da luz.

PRINCÍPIOS DA ÓPTICA GEOMÉTRICA

Os princípios que serão estudados são necessários no estudo das trajetórias descritas pela luz na sua propagação. Estudaremos os três princípios mais importantes.

PRINCÍPIO DA INDEPENDÊNCIA DOS RAIOS LUMINOSOS

Afirma que os raios de luz são independentes, isto  é, mesmo ocorrendo o cruzamento, um raio não afeta a trajetória do outro.

A figura anterior, em que duas áreas são ilumindas por holofotes, exemplifica bem a independência dos raios luminosos.

PRINCÍPIO DA PROPAGAÇÃO RETILÍNEA DA LUZ

Nos meios transparentes e homogêneos, a luz se propaga em linha reta. Um grande exemplo para este princípio acontece quando raios de luz solar penetram através de uma fresta em uma janela de uma sala.

PRINCÍPIO DA REVERSIBILIDADE DOS RAIOS LUMINOSOS

Por um princípio conhecido como da mínima-ação, sabemos que a luz percorre entre dois pontos o caminho de menor “esforço”. Portanto, se a luz descreve uma trajetória do ponto A ao ponto B, o caminho contrário, ou seja, do ponto B ao ponto A, será exatamente o mesmo.

APLICAÇÕES DOS PRINCÍPIOS DA ÓPTICA

A seguir, veremos alguns fenômenos físicos que podem ser explicados através dos princípios da óptica geométrica:

SOMBRA

Na figura abaixo podemos identificar uma fonte luminosa puntiforme representada por F, um disco opaco D e um anteparo A.

Entre o disco e o anteparo, observa-se uma área que não é iluminada pela fonte F e, considerando esta como a única fonte luminosa, esta região não iluminada consistirá em uma sombra. No anteparo, como está na figura, ocorre uma região denominada de sombra projetada.

SOMBRA E PENUMBRA

Se um sistema for iluminado por uma fonte extensa ao invés de uma fonte pontual, ocorrerá, além das regiões de sombra e sombra projetada, áreas de penumbra e penumbra projetada, que consistem em regiões que são parcialmente iluminadas e serão uma transição entre áreas perfeitamente iluminadas a áreas de sombra total.

ECLIPSES

Os casos mais importantes de sombra e penumbra são os eclipses solares e lunares.

O eclipse lunar acontece quando a Lua penetra no cone de sombra da Terra, como mostra a figura abaixo. Os eclipses lunares ocorrem somente em Lua cheia.

Cone de sombra da terra

Os eclipses solares são mais amplos. Existem os eclipses anulares, que ocorrem quando o cone de sombra da lua se fecha antes da Terra e permanece apenas a penumbra projetada. A figura abaixo exemplifica um eclipse anular.

O eclipse do Sol ocorre na Lua nova e, neste caso, a Lua projeta sobre a Terra uma região de sombra projetada, eclipse total, e uma região de penumbra projetada.

Região 1 = cone de sombra da Lua

Região 2 = penumbra

Região 3 = sombra da Lua projetada na Terra. Nessa região ocorre o eclipse total do Sol.

Região 4 = penumbra projetada. Nessa região ocorre o eclipse parcial do Sol, caso em que uma parte do “disco solar” permanece visível.

FASES DA LUA

A Lua gira em torno da Terra em uma órbita elíptica levando aproximadamente 27,3 dias para completar uma volta. Durante este período, dependendo de sua posição, a Lua é vista de formas diferentes da Terra. Essas formas diferentes como a Lua é iluminada denominam-se de fases da Lua.

Na Lua Nova, o hemisfério voltado para a Terra não é iluminado, e na Lua Cheia, o hemisfério em questão é totalmente iluminado. Nas fases denominadas de Quarto- Crescente e Quarto-Minguante, o hemisfério voltado para a Terra é parcialmente iluminado. Na figura abaixo, estão todas as fases da Lua.

Apenas uma das faces da Lua permanece voltada para a Terra, isso acontece pois o período de rotação em torno do seu próprio eixo é igual ao seu período de translação em torno da Terra. O lado oculto ou lado negro da Lua já foi tema de muitas abordagens na Arte, como o cinema e a música.

CÂMARA ESCURA

Na figura a seguir podemos identificar uma câmara escura com um orifício e diante desta caixa, no lado que contém o orifício, há um objeto luminoso AB. Os raios que partem do objeto AB atravessam o orifício O, penetram na câmara e projetam na parede oposta uma imagem semelhante ao objeto, porém invertida.

Pela geometria concluímos que os triângulos OAB e OA’B’ são semelhantes, desta forma:

Sendo AB e A’B’ os comprimentos do objeto e da imagem e a e b as distâncias entre o objeto e o orifício e a imagem e o orifício, respectivamente.

ÂNGULO VISUAL

O ângulo visual representado na figura a seguir por α, corresponde ao ângulo formado pelos raios que ligam as extremidades do objeto e os olhos do observador.

REFLEXÃO DA LUZ E ESPELHOS PLANOS

A reflexão da luz ocorre quando um raio luminoso atinge uma superfície e retorna para o meio no qual se propagava.

Os elementos que devem ser conhecidos:

RI → Raio Incidente.

RR → Raio Refletido.

N → Normal no ponto de incidência.

(S) → Símbolo de superfície plana refletora: o espelho plano.

As reflexões podem ser classificadas em:

Reflexão Regular ou Especular: Raios incidentes paralelos refletem paralelos. É a que ocorre numa superfície polida. É a que estudaremos no nosso curso.

Reflexão Difusa: Raios incidentes paralelos não refletem paralelos.

A reflexão regular ou especular é regida pelas seguintes leis:

1ª LEI: O raio incidente, a normal no ponto de incidência e o raio refletido estão no mesmo plano (são coplanares).

2ª LEI: O ângulo de incidência (i) é igual ao ângulo de reflexão (r).

REFLEXÃO SELETIVA DA COR DOS CORPOS

A luz branca (policromática) é a mistura de todas as cores (monocromáticas) básicas do “arco-íris”: vermelho, alaranjado, amarelo, verde, azul, anil e violeta. Lembrando que existem vários tons, portanto as sete cores do arco-íris na verdade são diversas cores formando um espectro contínuo.

Um corpo que apresenta aos nossos olhos a cor vermelha é porque ele tem a capacidade de refletir apenas a luz vermelha, qualquer cor que incida sobre ele será absorvida, assim é também com outras cores: um corpo é azul se tem a capacidade de refletir o azul e absorver as outras cores. Um corpo verde se apresentará com a cor verde se for iluminado pela luz branca (já que ela contém a verde) ou por uma mistura qualquer que contenha verde, caso contrário ele se apresentará aos nossos olhos como negro.

OBSERVAÇÃO:

Existe também o fenômeno da refração seletiva e acontece quando uma luz policromática incide em uma superfície monocromática que funciona como um filtro. Neste caso, se a luz policromática possuir a cor do filtro, este permitirá que somente esta luz passe. Na figura abaixo, a luz branca incide em um filtro vermelho e somente a luz vermelha emergirá do filtro.

ESPELHOS PLANOS

O espelho plano é o sistema óptico mais simples de ser estudado e é também o mais facilmente encontrado no dia a dia. Constitui-se de uma superfície polida onde ocorre predominantemente a reflexão da luz. No estudo de suas propriedades utilizaremos, basicamente, os princípios da óptica geométrica.

IMAGEM CONJUGADA POR UM ESPELHO PLANO

Para estudarmos o comportamento da imagem de um ponto material produzida por um espelho plano, consideraremos um ponto P diante um espelho. A luz que parte de P incide obliquamente no espelho e sofre reflexão. A figura ao lado ilustra a situação e podemos perceber que os prolongamentos dos raios refletidos irão se cruzar no ponto P’, por onde também passa a reta normal (reta perpendicular ao sistema óptico). O observador enxerga o ponto P’ como imagem do ponto P.

Sobre a imagem é importante saber que ela e o objeto são simétricos em relação ao espelho plano, ou seja, a distância do objeto ao espelho é igual a deste à imagem e pertencem a mesma reta normal à superfície do espelho. Esta propriedade dos espelhos planos, da imagem ser simétrica ao objeto, é conhecida como Propriedade Fundamental dos Espelhos Planos.

O estudo torna-se um pouco mais complexo se tratarmos de corpos extensos, porém a propriedade da simetria continuará a ser aplicada. Quando tratamos de corpos extensos dizemos que o objeto e a imagem são enantiomorfos e isso significa, que o lado direito do objeto corresponde ao esquerdo da imagem. Na figura acima um triângulo ABC foi colocado diante de um espelho plano formando uma imagem dele enantiomorfa. Observe que as distâncias de A, B e C ao espelho são iguais, respectivamente, as distâncias do espelho as suas imagens A’, B’ e C’.

Pegaremos como exemplo agora a palavra FÍSICA. Se colocarmos um espelho à sua direita, teremos a seguinte imagem:

O aluno fatalmente encontrará questões que se referem a palavras, figuras ou objetos, como relógios diante de espelhos e perguntas a respeito da imagem conjugada. Algumas figuras que possuem um eixo de simetria, como a letra A, por exemplo, não apresentarão problemas, mas na maioria deve-se identificar a imagem enantiomorfa.

Uma maneira prática de obtermos a imagem corretamente seria escrevermos a palavra ou figura em uma folha de papel, girarmos a folha ao redor da borda onde estaria o espelho e olharmos as costas da folha.

A “sombra” da palavra vista por trás corresponde à imagem do objeto obtida pelo espelho.

CAMPO VISUAL

O campo visual corresponde à área que pode ser visualizada pelo observador olhando para o espelho.

O campo visual pode ser facilmente determinado traçando-se raios ligando o observador aos extremos do espelho que sofrerão reflexão. A área compreendida entre os raios refletidos determinará o campo visual. Para traçarmos os raios refletidos devemos obter a posição simétrica do observador e traçar retas que liguem esta posição aos extremos dos espelhos, como mostra a figura abaixo:

TRANSLAÇÃO DE UM ESPELHO PLANO

O movimento de translação de um espelho plano consiste em deslocar o espelho no mesmo eixo onde se encontra o objeto. Na figura abaixo temos um espelho plano que foi deslocado horizontalmente para direita de uma distância x. Com isso a imagem se deslocou de y. Pela figura deduz-se que

OBSERVAÇÃO

Caso o objeto se movimente em relação ao espelho com velocidade v de aproximação, a imagem também se aproximará com velocidade v, em módulo.

Caso o objeto se afaste, a imagem também se afastará do espelho, porém, o módulo da velocidade será sempre o mesmo. Se o espelho se desloca com velocidade de módulo igual a v, a imagem se deslocará com velocidade igual a 2v.

Quando a luz incide sobre uma superfície refletora plana ocorre a incidência e a reflexão da luz Levando

Quando ocorre a reflexão da luz?

Quando a luz incide sobre uma superfície?

O que acontece quando a luz refletida por um espelho plano atinge a superfície refletora de outro espelho próximo?