A Óptica Geométrica estuda a propagação da luz nos diferentes meios e os fenômenos que dela decorrem: a reflexão e a refração. Este estudo é feito a partir da noção de raio de luz e de princípios fundamentais.
Raios de luz. Feixe de luz
Para representar que a luz emitida pela chama de uma vela atinge a vista de um observador, utilizamos linhas orientadas que fornecem a direção e o sentido de propagação da luz. Tais linhas são chamadas raios de luz.
Um conjunto de raios de luz é chamado feixe de luz. Este pode ser convergente, divergente ou de raios paralelos.
Meios transparentes, translúcidos e opacos
Os meios através dos quais os objetos podem ser vistos nitidamente são chamados transparentes. Ao atravessar um meio transparente a luz percorre trajetórias regulares e bem definidas. O ar atmosférico existente numa sala e a água em camadas pouco espessas, são exemplos de meios transparentes.
Os meios através dos quais os objetos não podem ser vistos nitidamente são chamados translúcidos. O papel de seda e o vidro fosco são exemplos de meios translúcidos. Ao atravessar um meio translúcido a luz percorre trajetórias irregulares e indefinidas.
Os meios que não permitem que a luz os atravesse são chamados opacos. É o caso de uma parede de concreto.
Observação: Um meio é homogêneo quando apresenta as mesmas propriedades em todos os seus pontos.
A velocidade de propagação da luz
Todas as luzes, monocromáticas (isto é, luzes de uma só cor) ou policromáticas (luzes constituídas pela superposição de luzes de cores diferentes, como a luz solar branca) propagam-se no vácuo com a mesma velocidade que é aproximadamente igual a 3,0.105 km/s.
Nos meios materiais homogêneos e transparentes a velocidade de propagação da luz é menor que no vácuo e seu valor depende da cor da luz que se propaga. Num meio material, a luz monocromática vermelha apresenta a maior velocidade de propagação e a violeta, a menor. As luzes das demais cores apresentam velocidades de propagação intermediárias. Na ordem decrescente de velocidade: luz vermelha, alaranjada, amarela, verde azul, anil e violeta.
Ano-Luz
Um ano-luz é a distância que a luz percorre no vácuo durante um ano terrestre. Vamos transformar em quilômetros o comprimento equivalente a um ano-luz.
Sendo c = 3,0.105 km/s a velocidade de propagação da luz no vácuo e
Δt = 1 ano terrestre = 365,2 dias = 365,2.24.3600 s ≈ 3,16.107 s,
de d = c.Δt, vem:
1 ano-luz = 3,0.105 km/s.3,16.107 s
1 ano-luz ≈ 9,5.1012 km
Princípios da Óptica Geométrica
a) Princípio da propagação retilínea
Nos meios homogêneos e transparentes a luz se propaga em linha reta
b) Princípio da independência dos raios de luz
Quando raios de luz se cruzam, cada um segue sua propagação como se os outros não existissem
Observações: As leis da reflexão e refração são consideradas princípios no estudo da Óptica Geométrica. Estas leis serão analisadas nos próximos capítulos.
Como decorrência dos princípios anteriores, podemos enunciar a reversibilidade da luz:
A trajetória seguida pela luz, não depende do sentido de propagação
Exercícios básicos
Exercício 1:
Analise as afirmações abaixo e indique as corretas:
a) O ar atmosférico de uma sala é um meio transparente.
b) A água em camadas espessas é um meio transparente.
c) O vidro fosco é um meio translúcido.
d) A atmosfera terrestre, cuja densidade diminui com o aumento da altitude, é um meio homogêneo.
e) Nos meios transparentes e translúcidos a luz se propaga em linha reta.
Exercício 2:
Um ano-luz tem a dimensão de:
a) tempo; b) velocidade; c) aceleração; d) comprimento; e) energia.
Exercício 3:
Uma estrela está situada a 4 anos-luz da Terra. Qual a distância entre a estrela e a Terra em quilômetros?x
Exercício 4:
O holofote A ilumina o artista situado no lado direito. Desliga-se A e liga-se o holofote B iluminando o artista situado no lado esquerdo. A seguir, ligam-se os dois holofotes e os feixes se cruzam. Os artistas ficam iluminados? Em que princípio da Óptica Geométrica você baseou sua resposta?
Exercício 5:
Tem-se uma associação de espelhos planos. Um raio de luz incide no espelho E1 e segue a trajetória ABCD, emergindo do espelho E2.
Represente a trajetória da luz que incide no espelho E2, segundo o raio DC. Em que fato da Óptica Geométrica você baseou sua resposta?
Exercício 1: resolução
a) Correta. O ar atmosférico existente em uma sala é um meio transparente.
b) Incorreta. A água em pequenas camadas e um meio transparente. Já em camadas espessas não é um meio transparente.
c) Correta. Através do vidro fosco os objetos não são vistos nitidamente. Logo é um meio translúcido.
d) Incorreta. Um meio homogêneo apresenta as mesmas propriedades em todos os seus pontos.
e) Incorreta. A luz se propaga em linha reta nos meios transparentes e homogêneos.
Resposta:
Corretas: a) e c)
Exercício 2: resolução
Um ano-luz é a distância que a luz percorre no vácuo durante um ano terrestre.
A dimensão de ano-luz é comprimento.
Resposta: d
Exercício 3: resolução
1 ano-luz corresponde aproximadamente a 9,5.1012 km. Portanto, 4 anos-luz correspondem a 4 x 9,5.1012 km = 38.1012 km
Resposta: 38.1012 km
Exercício 4: resolução
Os artistas ficam iluminados. Princípio da independência dos raios de luz.
Exercício 5: resolução
Reversibilidade da luz.
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