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Óptica




Como prometido vamos dar continuidade aos nossos estudos entendendo o fenômeno da

Refração

Mudança do meio no qual a luz se propaga provocando uma variação na velocidade da mesma, podendo haver também mudança na trajetória



dioptro: dois meios homogêneos e transparentes



Exemplo: ar e água



n1: índice de refração do meio de incidência
n2: índice de refração do meio de refração
n: reta normal
𝛼: ângulo de incidência
β: ângulo de refração
v1, v2: velocidades de R1 e R2 respectivamente
λ1, λ2: comprimentos de onda de R1 e R2 respectivamente
f: frequência de R1 e R2
f: frequência de R1 e R2

Observação: β poderia ser maior que ⍺






A razão v1/v2 é chamada de índice de refração relativo (n12[1])   \( \bbox[5px, border: 2px solid blue]{ n_{12} = {\large{ {v_1} \over {v_2} } } } \)
v1: velocidade da luz em n1
v2: velocidade da luz em n2




n12 também pode ser calculado pela razão n2/n1   \( \bbox[5px, border: 2px solid blue]{ n_{12} = {\large{ {n_1} \over {n_2} } } } \)

Logo   \( \bbox[5px, border: 2px solid blue]{ n_{12} = {\large{ {n_1} \over {n_2} } } = {\large{ {v_1} \over {v_2} } } } \)

O meio que possuir o menor índice de refração será o meio menos refringente, enquanto que, o meio que possuir o maior índice de refração será o meio mais refringente.



Se n1 for o vácuo, então o índice de refração é chamado de índice refração absoluto (neste caso, o índice refração absoluto de n2) e v1 = c, portanto   \( \bbox[5px, border: 2px solid blue]{ n_2 = {\large{ {c} \over {v_2} } } } \)
c: velocidade da luz no vácuo, vale 3.108 m/s


Observacao1: o índice refração do vácuo é 1.

Observacao2: algumas questões consideram o ar como sendo o vácuo

[1] a ordem dos índices não é tão crítica, ou seja, eu também poderia escrever n21






Leis da Refração


1ª lei

O raio incidente, a normal e o raio refratado, pertencem ao mesmo plano.




2ª lei, lei de Snell-Descartes

Para cada dioptro e luz monocromática refratada n1.sen 𝛼 = n2.sen β

Se para um ângulo de incidência 𝛼1 o ângulo de reflexão for de 90º, 𝛼1 é um ângulo limite.



Ângulo limite: ângulo de incidência para o qual o ângulo de reflexão é de 90º.



Se o ângulo de reflexão é de 90º então
n1.sen 𝛼1 = n2.sen 90, sen 90 = 1 ∴

n1.sen 𝛼1 = n2.1

\( \bbox[5px, border: 2px solid blue]{ sen\; \alpha_1 = {\large{ {n_2} \over {n_1} } } } \)


Observação: é possível que você já tenha visto fórmulas como sen \( L = {\large{ {n_1} \over {n_2} } } \) (L seria o ângulo limite), n1 pode aparecer em cima e n2 embaixo \( \left({\large{ {n_1} \over {n_2} } }\right) \) ou n2 em cima e n1 embaixo \( \left({\large{ {n_2} \over {n_1} } }\right) \), Isto irá depender do sentido da luz (se ela está indo de n1 para n2 ou de n2 para n1).





Porém há um detalhe, o dividendo deve ser menor que o divisor, portanto \( \bbox[5px, border: 2px solid blue]{ {\small{sen\; L} } = {\small{sen\; \alpha_1} } = {\large{ {n_{menor} } \over {n_{maior} } } } } \)


Se o ângulo limite for extrapolado, a luz não será mais refratada (não passará de um meio para o outro), ela será refletida de volta para o meio onde se encontra, este fenômeno é conhecido como reflexão total.










Fenômenos luminosos na atmosfera


Arco-íris

As gotículas de água presentes na atmosfera refletem a luz proveniente do Sol








ao sair do interior da gotícula, a luz é refratada e decomposta em diversas cores



formando assim o arco-íris

Observação: estão sendo mostradas apenas três cores das 7 que o arco-íris tem.






Posição aparente dos astros

A luz emitida pelos astros fora do nosso planeta sofre refração ao adentrar na atmosfera



assim os astros parecem estar mais acima do que realmente estão.








A imagem que nós vemos é chamada de imagem aparente.






Seja p a distância do astro até a atmosfera e p’ a distância da imagem até a atmosfera.



nobservador o índice de refração do meio no qual o observador se encontra e nastro o índice de refração do meio no qual o astro se encontra, \( \bbox[5px, border: 2px solid blue]{ {\large{ {n_{observador}} \over {n_{astro}} } } = {\large{ {p'} \over {p} } } } \)






Esta proporção também pode ser aplicada em outros casos, como por exemplo, uma pessoa observando um peixe na água.



o peixe parece estar mais próximo da superfície do que realmente está.






Seja p' a distância do peixe até a superfície da água e p a distância da imagem à superfície da água.



nobservador o índice de refração do meio no qual o observador se encontra e npeixe o índice de refração da água, \( \bbox[5px, border: 2px solid blue]{ {\large{ {n_{observador}} \over {n_{peixa}} } } = {\large{ {p'} \over {p} } } } \)







Lâmina de faces paralelas


Considere uma lâmina de faces paralelas de altura h








e um raio luminoso que a atravessa








note que ao passar do ar para o interior da lâmina ela sofre uma mudança na trajetória








ao sair também.








O desvio sofrido pela luz (d)




pode ser calculado pela expressão \(\bbox[5px, border: 2px solid blue]{ d = {h.sen{(\theta_{1} -\theta_{2} )} \over {\cos{\theta_{2} } } } } \)

n: reta normal






Prisma óptico


Considere o prisma








e um raio luminoso que o atravessa








ao passar do ar para o interior do prisma ele sofre um desvio








e ao sair também.








Os prolongamentos de R1 e R2 formam o ângulo σ




que pode ser calculado pela expressão σ = ϑ12 -A
σ: desvio que raio sofreu





Óculos, lupas, telescópios e muitas outras aplicações, elas estão no nosso dia a dia. Talvez você seja do tipo que gosta de tirar fotos e postar nas redes sociais, a qualidade das câmeras do seu celuar depende diretamente delas as

Lentes


Existem dois tipos de lentes
  • convergentes
  • divergentes


Convergentes ou lentes de borda fina ou lentes delgadas
Lente biconvexa

Lente plano-convexa

Lente côncavo-convexa





Divergentes ou lentes de borda grossa
Lente bicôncava

Lente plano-côncava

Lente convexo-côncava


Atenção: a convergência ou divergência de uma lente não é determinada pela sua forma, ou seja, as lentes convergentes não necessariamente possuem uma das formas ilustradas acima, o mesmo vale para as lentes divergentes.

Contudo, elas são comumente representadas como mostram as figuras, a convergência ou divergência de uma lente é determinada pelo seu índice de refração.



A lente será classificada como convergente ou divergente dependendo do comportamento da Luz ao atravessá-la.

No caso da lente convergente a luz irá convergir em um ponto chamado de foco









No caso das lentes divergentes a luz irá divergir









os prolongamentos dos raios atingem um ponto, também chamado de foco



Observação: note os formatos das lentes, eles foram escolhidos para ressaltar que não é a forma das lentes que determina se ela é convergente ou divergente.







Frequentemente os espelhos são representados por simples linhas, sendo que,os espelhos convergentes possuem duas setas apontando para fora









os espelhos divergentes possuem duas setas apontando para dentro




Deveria ser o contrário, faria mais sentido, mas é assim mesmo.







Elementos das lentes


As lentes, tanto convergentes como divergentes, possuem 4 elementos: centro, foco objeto, foco imagem e pontos antiprincipais

Lente convergente








Lente divergente



c: centro
f: foco objeto
f’: foco imagem
A: ponto antiprincipal do objeto
A’: ponto antiprincipal da imagem
d: distância entre os focos e o centro







Raios notáveis


Lente convergente

Os raios de luz que atingem a lente paralelos ao eixo principal, passam pelo foco da imagem.








Pelo princípio da reversibilidade, os raios de luz que atingem a lente passando pelo foco, saem paralelos ao eixo principal.








Os raios de luz que passam pelo centro da lente não sofrem nenhum desvio.








Os raios de luz que não se enquadram em nenhuma das situações descritas acima, convergem nos focos secundários, terciários, quaternários etc. localizados sobre a reta normal que passa pelo foco da imagem










Lente divergente

Os prolongamentos passam pelo foco, se os raios de luz atingirem a lente paralelamente ao eixo principal.








Os raios de luz cujos prolongamentos passam pelo foco, saem paralelos ao eixo principal.








Os raios de luz que passam pelo centro da lente não sofrem nenhum desvio.








Os prolongamentos convergem nos focos secundários, terciários, quaternários etc. localizados sobre a reta normal que passa pelo foco da imagem se os raios de luz não se enquadrarem em nenhuma das situações descritas acima.









Formação de imagens


Lentes convergentes

Objeto antes do ponto antiprincipal do objeto: para construir a imagem são necessários apenas dois raios de luz que saem do topo do objeto. Um dos raios paralelo ao eixo óptico e o outro passando pelo centro.



O ponto onde os raios se cruzam é onde a imagem será formada.
Ela é invertida e menor que o objeto.
É considerada também como uma imagem real, pois foi formada pelo cruzamento de dois raios.
É importante notar também que ela está entre o ponto antiprincipal e o foco da imagem.
Real, invertida e menor que o objeto.






Objeto no ponto antiprincipal do objeto: para construir a imagem são necessários apenas dois raios de luz que saem do topo do objeto. Um dos raios paralelo ao eixo óptico e o outro passando pelo centro.



A imagem formada é real, invertida e igual ao objeto(tem o mesmo tamanho).
Está no ponto antiprincipal da imagem.






Objeto entre o ponto antiprincipal do objeto e o foco: novamente, são necessários apenas dois raios de luz que saem do topo do objeto, um deles paralelo ao eixo óptico e o outro passando pelo centro.



A imagem formada é real, invertida e maior que o objeto.
Está à direita do ponto antiprincipal da imagem.






Objeto no foco do objeto: dois raios de luz que saem do topo do objeto, um paralelo ao eixo óptico e o outro passando pelo centro.



Neste caso diz-se que a imagem está no infinito, chamada de imagem imprópia.






Objeto entre o foco do objeto e o centro: um raio de luz saindo do topo do objeto paralelo ao eixo óptico e outro, também saindo do topo do objeto e passando pelo centro.








a imagem é então formada pelos prolongamentos dos raios



e será virtual, direita e maior que o objeto.







Lentes divergentes

Felizmente há apenas um caso (Independe da posição do objeto).

Dois raios de luz saindo do topo do objeto, um dos raios paralelo ao eixo principal e o outro passando pelo centro.








A imagem será formada pelo raio de luz que passa pelo centro + o prolongamento do raio de luz paralelo ao eixo principal refratado pelo espelho



A imagem é virtual, direita e menor que o objeto.




A equação de Gauss também pode ser aplicada para lentes dido = fdi +fdo
di: distância entre a imagem e o espelho, é muito comum representá-la com a letra p’ (p linha)
do: distância entre o objeto e o espelho, é muito comum representá-la com a letra p
f: distância entre o foco e o espelho (distância focal)

Se di > 0, a imagem é real, se di < 0 a imagem é virtual.
Se do > 0, o objeto é real, se do < 0 o objeto é virtual.







O aumento linear determina a relação entre os tamanhos das imagens e suas distâncias ao espelho \(\bbox[5px, border: 2px solid blue]{ A = { \large{ {h_{i} } \over {h_{o} } } } = -\large{ {d_{i} } \over {d_{o} } } }\)
A: aumento linear ou transversal da imagem
hi: altura da imagem
ho: altura do objeto
di e do: definidos acima




hi: tamanho da imagem, se a imagem estiver para cima hi > 0






se a imagem estiver para baixo hi < 0



ho: tamanho do objeto, se ho > 0 o objeto está para cima, se ho < 0 o objeto está para baixo.






Quanto maior for o desvio que uma lente provoca na luz maior é a sua convergência ou vergência calculada por meio da equação \( \bbox[5px, border: 2px solid blue]{ C = {\large{ {1} \over {f} } } } \)
C: convergência, também chamada de dioptria, suas principais unidades são di ou m-1
f: distância focal

Outra unidade muito conhecida da convergência é o "grau", tal que 1 di equivale a 1 grau 1 di = 1 grau

Se f > 0 a lente é convergente, se f < 0 a lente é divergente.






E por fim 2 equações que não são muito utilizadas mas podem ser necessárias para algum exercício.

Equação dos fabricantes de lentes \(\bbox[5px, border: 2px solid blue]{ C = { {1} \over {f} } = { ({ \large{ {n_{lente} \over {n_{meio} } } } } -1).({ {1} \over {R_{1} } } +{ {1} \over {R_{2} } }) } } \)
R1 e R2: raios de curvatura das faces




Se uma das superfícies for plana \(\bbox[5px, border: 2px solid blue]{ C = { \large{ {1} \over {f} } } = { \left({ \large{ {n_{lente} \over {n_{meio} } } } } -1\right).\left({ \large{ {1} \over {R} } }\right) } } \)
R: raio de curvatura da face curva


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