3º Bimestre. Física II. Autor: Geraldo Velazquez - PDF Free Download
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Sandra de Paiva de Sintra
3 SUMÁRIO UNIDADE I Óptica Geométrica Natureza Da Luz Conceitos Preliminares Raios e Feixes Fontes De Luz MEIOS ÓPTICOS Fenômenos Ópticos Cor De Um Corpo Princípios Da Óptica Propagação Retilínea Da Luz Reversibiilidade Dos Raios Luminosos Independência Dos Raios Luminosos Sombra, Penumbra E Eclipses Câmara Escura De Orifício Exercícios De Fixação: Exercícios complementares:... 20
4 UNIDADE I Óptica Geométrica 1 Natureza Da Luz Em 1675 Isaac Newton, num de seus artigos, considerou a luz constituída por um conjunto de corpúsculos materiais em movimento, cujas trajetórias seriam retas. Huygens sugeriu que os fenômenos de propagação da luz seriam mais bem explicados se a luz fosse considerada uma onda. No início do século XIX a teoria de Newton foi definitivamente abandonada, passando-se a considerar a luz como uma propagação ondulatória, graças ao trabalho do inglês Thomas Young. No entanto evidências mais recentes mostram que ao lado das ondas a luz transporta também corpúsculos de energia, chamados fótons, apresentando uma natureza dual (partícula-onda), segundo teoria do francês Louis De Broglie. O transporte de energia radiante da luz é realizada através de ondas chamadas eletromagnéticas, tais ondas, além de não necessitarem de um meio material para se propagar podendo, portanto, propagar-se no vácuo possuem uma enorme velocidade. No vácuo, a velocidade de propagação da luz (c) vale, aproximadamente: c km/s 3 x 105 km/s 3 x 108 m/s Em geral, somente uma parcela de energia radiante propicia a sensação de visão, ao atingir o olho. Essa parcela é denominada luz e possui freqüência entre 4 x 1014 Hz e 8 x 1014 Hz. 4
5 As freqüências dentro da faixa do visível do espectro eletromagnético correspondem às diferentes cores, com que observamos a luz. A luz de cor violeta corresponde à maior freqüência ( maior comprimento ), e a luz de cor vermelha corresponde à menor frequência( maior comprimento ). 2 Conceitos Preliminares 2.1 Raios e Feixes a) Raio de luz: é a representação geométrica da trajetória da luz, indicando a direção e o sentido de sua propagação. b) Feixe de luz: é um conjunto de raios de luz. Um feixe luminoso pode ser: 5
6 2.2 Fontes De Luz Quanto à emissão de luz: a) Fonte primária ou corpo luminoso: emite luz própria. Ex: o Sol, as estrelas, uma lâmpada ligada, uma vela acesa, um vaga-lume, um interruptor, metal aquecido ao rubro etc. b) Fonte secundária ou corpo iluminado: não emite luz própria, reflete luz de uma fonte primária. Ex: a Lua, os planetas, um caderno, uma caneta, uma cadeira, uma pessoa, um quadro etc. Quanto à dimensão: a) Fonte pontual ou puntiforme: suas dimensões são desprezíveis em ralação ao ambiente considerado. Ex: uma pequena lâmpada num salão. b) Fonte extensa: suas dimensões não são desprezíveis em relação ao ambiente considerado. Ex: uma lâmpada fluorescente num quarto. 2.3 MEIOS ÓPTICOS a) Meio transparente: é aquele que permite a propagação regular da luz. O observador vê o objeto com nitidez através do meio. Ex: aquário, ar, vidro comum, papel celofone etc. b) Meio Translúcido: é aquele que permite a propagação irregular da luz O observador não vê o objeto com nitidez através do meio. Ex: vidro fosco, papel vegetal, tecido fino, ar com neblina etc. 6
7 c) Meio opaco: é aquele que não permite a propagação da luz. O observador não vê o objeto através do meio. Ex: parede de tijolos, portão de madeira, placa metálica etc. 7
8 3 Fenômenos Ópticos Quando a luz incide sobre uma superfície S, que separa um par de meios, pode sofrer os seguintes fenômenos: a) Reflexão regular: o feixe de raios paralelos que se propaga no meio 1 incide sobre a superfície S e retorna ao meio 1, mantendo o paralelismo. Ex: A reflexão regular é responsável pela formação de imagens sobre a superfície tranqüila de um lago. b) Reflexão difusa ou difusão: o feixe de raios paralelos que se propaga no meio 1 incide sobre a superfície S e retorna ao meio 1, perdendo o paralelismo e espalhando-se em todas as direções. A difusão é devido às irregularidades da superfície. A reflexão difusa é responsável pela visão dos objetos que nos cercam. Ex: Vemos uma pessoa porque ela reflete difusamente para nossa vista a luz que recebe. c) Refração regular: o feixe de raios paralelos que se propaga no meio 1 incide sobre a superfície S e passa a se propagar no meio 2, mantendo o paralelismo. A refração regular ocorre em meios transparentes. 8
9 Ex: A refração regular é responsável pela visão nítida de objetos através do vidro comum. d)refração difusa: o feixe de raios paralelos que se propaga no meio 1 incide sobre a superfície S e passa a se propagar no meio 2, perdendo o paralelismo. A refração difusa ocorre em meios translúcidos. Ex: A refração difusa é responsável pela visualização sem nitidez de objetos através do vidro fosco. e) Absorção: o feixe de raios paralelos que se propaga no meio 1 incide sobre a superfície S e não retorna ao meio 1 nem se propaga no meio 2, ocorrendo a absorção. Como a luz é uma forma de energia, sua absorção ocasiona um aquecimento. Ex: A absorção é responsável pelo aquecimento de uma camisa negra quando exposta à luz. 9
10 4 Cor De Um Corpo A cor apresentada por um corpo, ao ser iluminado, depende do tipo de luz que ele reflete difusamente. Assim, corpos de diferentes cores, sendo iluminados por luz branca, teremos: o corpo vermelho, se refletir difusamente a luz vermelha e absorver as demais; o corpo amarelo, se refletir difusamente a luz amarela e absorver as demais, e assim por diante. E negro, se o corpo absorver todas as luzes. Atente ao fato de que um corpo amarelo parecerá negro quando for iluminado por luz diferente da branca e da amarela, pois essa luz será devidamente absorvida. O Azul Do Céu Vimos que existem determinados meios que refratam a luz difusamente (meio translúcido). Por isso, eles podem ser vistos por refração difusa. De todas as cores componentes da luz solar, a violeta e, em seguida, a azul são as que mais sofrem refração difusa (maior espalhamento) ao penetrar a atmosfera terrestre. Por isso, se a distância percorrida pela luz não for muito grande (ao meio-dia, por exemplo) são essas as componentes que mais chegam em nossos olhos. Como eles são mais sensíveis à luz azul, vemos o céu azul. Ao contemplarmos o nascer e o por-do-sol, vemos o céu e o Sol avermelhados. Isso acontece porque a luz vermelha, nesse momento, é a que mais chega aos nossos olhos, enquanto a luz azul e as outras próximas a ela foram difundidas nas primeiras camadas da atmosfera, ficando esmaecidas. 10
11 Exemplo 1: Num laboratório óptico a bandeira do Brasil é iluminada exclusivamente por luz monocromática azul. Faça um esquema da bandeira e indique as cores observadas em cada parte da bandeira. Solução: Com luz monocromática azul, apenas o círculo e a faixa refletirão o azul, as demais áreas absorverão totalmente a luz, ficando preto. = 11
12 5 Princípios Da Óptica 5.1 Propagação Retilínea Da Luz 5.2 Reversibiilidade Dos Raios Luminosos 5.3 Independência Dos Raios Luminosos Exemplo 2: Um observador nota que no mesmo instante do dia um edifício projeta uma sombra de 30m e uma haste vertical de 50cm projeta uma sombra de 0,80m. Determine a altura do edifício. 12
13 Solução: 𝐏𝐨𝐫 𝐬𝐞𝐦𝐞𝐥𝐡𝐚𝐧ç𝐚 𝐇 𝟓𝟎 𝟑𝟎. 𝟓𝟎 = 𝐇= = 𝟏𝟖, 𝟕𝟓𝐌 𝟑𝟎 𝟖𝟎 𝟖𝟎 13
14 6 Sombra, Penumbra E Eclipses Fonte Puntual Fonte Extensa Uma das grandes aplicações deste assunto é o Eclipse. Eclipses 14
15 Ao longo de seu movimento em torno da Terra, vez ou outra a Lua passa pelo segmento da reta que une o Sol e a Terra: nesse caso, a visão do Sol pode ficar total ou parcialmente obstruída pela Lua, e dizemos que ocorreu um eclipse solar. É fácil verificar pela figura abaixo que tal eclipse só pode ocorrer nas épocas de Lua Nova. Em épocas de Lua Cheia, esta pode cruzar a reta que passa pelo Sol e pela Terra; ora, como a Lua é um corpo iluminado, ao passar pelo cone de sombra da Terra criado pelo Sol, momentaneamente deixará de receber luz e, portanto de ser visível; ocorre então o eclipse lunar. Fases Da Lua Embora as fases lunares se alterem, aproximadamente, a cada sete dias, os eclipses não são mensais, pois as órbitas de translação da Terra e da Lua são inclinadas entre si. 15