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Turma: 8822
Curso: Análise Química
Disciplina: Física
Professora: Esdras
Estudantes: Luiz Rodrigues; Matheus Itiel; Taline Queila; Sara Nascimento; Mateus Matos.
Relatório elaborado a pedido do professor Esdras como instrumento para nota parcial da 3ª unidade.
Salvador
Introdução
Óptica é o ramo da física que estuda os fenômenos relacionados à luz. A óptica explica os fenômenos da reflexão, refração, e difração.
O estudo da óptica divide-se em duas partes:
Óptica geométrica : nessa parte são estudados os fenômenos ópticos relacionados às trajetórias seguidas pela luz. Para isso é necessária a noção de raio de luz e as leis que regulamentam o comportamento desses raios.
Óptica física : é a parte da óptica que estuda os fenômenos ópticos levando-se em conta a teoria sobre a composição da luz.
Essa parte da física é muito presente no cotidiano, sua aplicação vai desde o uso dos óculos ao uso dos mais eficientes e sofisticados equipamentos utilizados para pesquisas científicas como, por exemplo, os aparelhos de telescópio e microscópio. São algumas das aplicações da óptica:
- Na correção de defeitos visuais;
- Na construção de instrumentos de observação como, por exemplo, os telescópios e microscópios;
- Utilizado em câmeras fotográficas e na cinematografia.
Entre muitas outras aplicações.
Fenômenos da luz.
A reflexão e a refração da luz
A reflexão da luz é um dos fenômenos mais comuns envolvendo a propagação da luz. A reflexão ocorre quando a luz incide sobre a superfície de separação entre dois meios com propriedades distintas. A reflexibilidade é a tendência dos raios de voltarem para o mesmo meio de onde vieram.
Quando a luz incide sobre uma superfície separando dois meios, podem ocorrer dois fenômenos distintos: reflexão da luz e refração da luz. Parte da luz volta e se propaga no mesmo meio no qual a luz incide (a reflexão da luz). A outra parte da luz passa de um meio para o outro propagando-se nesse segundo. A esse último fenômeno (no qual a luz passa de um meio para o outro) damos o nome de refração da luz.
Os dois fenômenos ocorrem concomitantemente. Pode haver predominância de um fenômeno sobre o outro. Que fenômeno predominará vai depender das condições da incidência e da natureza dos dois meios.
Se a superfície de separação entre os dois meios for plana (por exemplo, superfície de um metal) e polida (uma superfície regular) então a um feixe incidente de raios luminosos paralelos corresponderá um feixe refletido de raios luminosos igualmente paralelos. A reflexão nesse caso será denominada de regular.
Se a superfície de separação apresentar rugosidades a reflexão será difusa. A luz será espalhada em todas as direções. Se considerarmos um feixe de raios luminosos incidentes paralelos, os raios refletidos irão tomar as mais diversas direções. A grande maioria dos objetos reflete a luz de uma maneira difusa. Isso nos permite vê-lo de qualquer posição que nos situarmos em relação a ele.
Parte da luz é absorvida pelo objeto. Diferentes materiais absorvem luz de forma diferente e por isso vemos objetos das mais variadas cores.
As leis da reflexão
Para entendermos as leis que regem o fenômeno da reflexão precisamos introduzir as definições de planos de incidência da reflexão e ângulos de incidência. Quando o raio de luz incidir sobre a superfície de separação entre dois meios, ela o fará num ponto P sobre a superfície. Por um ponto qualquer de uma superfície podemos fazer passar uma reta que fura o plano e que é perpendicular a ele. Só existe uma tal reta (reta N, normal à superfície).
O ângulo formado pelo raio (i) incidente e a reta normal (N) é o ângulo de incidência (representado por î ).
Para o raio refletido (r) se aplica uma definição análoga. O ângulo de reflexão (r) é o ângulo formado pelo raio refletido e a reta normal N.
A primeira lei de refração estabelece que o raio incidente, o raio refratado e a normal pertencem a um mesmo plano. Dito de outra forma:
O plano de incidência e o plano da luz refratada coincidem.
A segunda lei estabelece uma relação entre os ângulos de incidência, de refração e os índices de refração dos meios. Tal relação é conhecida como Lei de Snell-Descartes e seu enunciado é:
Numa refração, o produto do índice de refração do meio no qual ele se propaga pelo seno do ângulo que o raio luminoso faz com a normal é constante.
Em linguagem matemática, a segunda lei pode ser escrita como:
Se a incidência for normal (ângulo de incidência zero), o ângulo refratado será nulo. Nesse caso a luz não sofre qualquer desvio. A única conseqüência da refração no caso da incidência normal é a alteração da velocidade da luz ao passar de um meio para o outro.
Se a incidência for oblíqua então o raio luminoso se aproximaria mais da normal naquele meio que for mais refringente (isto é, aquele meio que tiver o maior índice de refração). O meio com menor índice de refração é, por outro lado, aquele no qual a luz se propaga mais rápido.
Índice de refração
Ao mudar de meio a luz altera sua velocidade de propagação. Isto é de certa forma esperado, pois ao aumentar a densidade de um meio, maior será a dificuldade de propagação nele. Os fótons devem efetuar sucessivas colisões com as partículas do meio provocando um atraso, isto é, reduzindo sua velocidade.
A velocidade da luz no vácuo é a maior que qualquer objeto pode atingir. Denominamos por c a velocidade da luz no vácuo. Num meio natural qualquer a velocidade da luz nesse meio (v) é menor do que c. Portanto, podemos sempre escrever que
ou, equivalentemente.
O coeficiente n é o índice de refração do meio. É uma das grandezas físicas que caracterizam o meio (a densidade, por exemplo, é uma outra grandeza física que caracteriza um meio).
Em geral é complicado elaborar teorias voltadas para fazer previsões sobre o índice de refração de um meio (e isso é possível). Nesse livro adotaremos a idéia de que o índice de
refração é uma característica do meio e que o valor desse índice para várias matérias pode ser obtido através de dados experimentais emitidos em tabelas.
O índice de refração do vácuo é 1.
O índice de refração do ar é muito próximo de 1. O índice de refração da água será adotado como sendo 1,33.
Os índices de refração de uma substância são muito sensíveis ao estado físico no qual ele se encontra (sólido, líquido ou vapor). Pode depender ainda da pressão, temperatura e outras grandezas físicas.
Lentes
Dentre os componentes de sistemas ópticos mais úteis, devemos citar as lentes. Se você tiver oportunidade de olhar detalhadamente a estrutura de uma máquina fotográfica moderna ou uma lente zoom ou ainda um telescópio, você entenderá rapidamente a relevância das lentes esféricas. Estes instrumentos úteis são construídos utilizando lentes esféricas. Os óculos são constituídos de duas lentes esféricas.
Na figura abaixo temos um esquema de uma lente zoom de uma máquina fotográfica moderna. Nesse caso ela é composta de três lentes.
A utilidade de uma lente é que com elas podemos aumentar (ou reduzir) o tamanho de um objeto. E esse aumento pode chegar a milhares de vezes. Esse é o caso dos microscópios e telescópios.
As lentes de uso mais amplo são aquelas constituídas de vidro ou de acrílico (óculos, por exemplo)
São denominadas de lentes esféricas um arranjo no qual estão dispostos dois dioptros. Um dos dioptros deve ser um dioptro esférico e o outro poderá ser outro dioptro esférico ou um dioptro plano. A lente esférica e o objeto transparente limitado pelas superfícies e dos dois dioptros. Denominaremos de o índice de refração do meio no qual a lente está imerso (em geral o ar) e de o índice de refração do meio do qual a lente é constituída.
Centro de curvatura e raio de curvatura
Para o que segue adotaremos ainda as seguintes definições.
Fonte de luz branca 12 V – 21 w, chave liga-desliga, alimentação bivolt sistema de posicionamento do filamento;
TÉCNICA OPERACIONAL
REFLEXÃO DA LUZ EM ESPELHO PLANO – LEIS DA REFLEXÃO
1- Montou-se o equipamento conforme a figura abaixo.
2 – Foi colocado em um lado do cavaleiro metálico o diafragma com uma fenda e do outro uma lente convergente de distância focal 12 cm. Ajustou-se a posição do conjunto para que o filamento da lâmpada fique no foco da lente.
3 - Foi ligada a fonte de luz e ajustado o raio luminoso bem no centro do transferidor.
4 - Depois o espelho plano foi colocado no disco ótico e logo após girou-o de forma que o ângulo de incidência variasse de 10° em 10°.
PROPRIEDADES DO RAIO LUMINOSO NA LENTE CONVERGENTE
5 – Foi substituído o diafragma de uma fenda do experimento anterior pelo de 5 fendas e a fonte de luz foi ligada. A lente convergente foi posicionada para a correção do feixe, isto é, para que ficassem paralelos entre si.
6- Perfil de acrílico foi colocado no disco ótico.
7- O feixe luminoso foi ajustado paralelamente ao eixo principal da lente convergente.
PROPRIEDADES DO RAIO LUMINOSO NA LENTE DIVERGENTE
8- Neste experimento foi utilizada a mesma aparelhagem do experimento anterior, entretanto foi trocado, no disco ótico, o perfil de acrílico biconvexo pelo bicôncavo.
DETERMINAÇÃO DO ÍNDICE DE REFRAÇÃO DO AR EM RELAÇÃOO AO
ACRÍLICO
Figura
9- Utilizando a mesma aparelhagem anterior, foi trocado o perfil de acrílico bicôncavo pelo semicírculo, conforme a foto, e girou-se o disco ótico variando o ângulo de incidência de 5° em 5°.
DETERMINAÇÃO DO ÍNDICE DE REFRAÇÃO DO ACRÍLICO EM RELAÇÃO AO
AR
1- Montou-se o equipamento conforme a figura abaixo.
1 – Utilizou-se a mesma montagem do experimento anterior e colocou-se no disco ótico o espelho convexo.
3 - Ajustou-se o feixe luminoso paralelamente ao eixo principal do espelho convexo.
4- Foram identificados os elementos principais do espelho convexo.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
No 1°experimento, Reflexão Da Luz Em Espelho Plano ,depois de realizada a montagem e o ajuste do equipamento, na parte 3 após de se girar o disco ótico variando o ângulo de incidência de 10° em 10°, foi possível observar que o ângulo de incidência era igual ao ângulo de reflexão em todos os resultados obtidos.
Ângulo de incidência (i) Ângulo de reflexão (r) 0° 0° 10° 10° 20° 20° 30° 30° 40° 40° 50° 50° 60° 60° 70° 70°
A partir destes resultados pôde se constatar na prática a 2ª Lei da reflexão a qual diz que na reflexão o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.
Foi possível também observar que o ângulo do raio luminoso refletido estava no mesmo plano que o incidido, comprovando-se a 1ª Lei da reflexão a qual diz que os ângulos de incidência e de reflexão estão no mesmo plano.
No 2° experimento , Foi possível observar neste a inversão do feixe luminoso após a passagem pela lente biconvexa. Já no 3° experimento , ao se utilizar um lente bicôncava, o feixe de luz incidido ao passar sobre a lente separou-se dos demais raios luminosos.
Assim pode-se observar que ao se incidir um raio luminoso sobre uma lente, esta irá apresentar desvios diversificados, isto porque, cada uma delas terá propriedades diferentes dos demais tipos.
Quando incidida sobre uma lente biconvexa, o feixe de luz se inverterá como demonstra a figura abaixo.
Figura
Já uma lente bicôncava, fará com que os raios incididos sobre ela se distanciem uns dos outros como demonstra a figura abaixo.
Figura
No 4° Experimento , após o raio luminoso passar pela lente plano-convexa ocorreu o fenômeno da refração em que a luz ao passar do ar para o acrílico sofreu desvio. Assim foi feita a anotação do ângulo de incidência, que variou de 5° em 5° graus, e a do ângulo refratado, da seguinte forma:
Ângulo de incidência (i)
Sen. i Ângulo de refração ( r)
Sen. r Sen. i / sen. r
Assim a partir dos resultados calculados a dos resultados obtidos no experimento foi possível se obter o índice de refração do ar em relação ao acrílico que corresponde na tabela a 5ª coluna, que resultou em todas as linhas, exceto no ângulo de incidência de 5° e 45°, no valor de aproximadamente 7, sendo assim esta uma constante. No ângulo de 5° o resultado divergiu das demais provavelmente por erro na realização do experimento. Já no ângulo de 45°, este não pode ser mesurado a sua refração porque o seu ângulo de incidência ultrapassou o ângulo limite que era de 42°, sendo a partir deste refletido.
No 5° experimento foi feita a determinação do índice de refração do acrílico em relação ao ar. Assim a partir dos resultados obtidos, o índice de refração foi calculado fazendo a relação entre sen. i sobre sen. r, da seguinte forma:
Ângulo de incidência (i)
Sen. i Ângulo de refração ( r)
Sen. r Sen. i / sen. R
Assim tem-se o valor desta refração de aproximadamente 1,5.
Nos experimentos 6 e 7, ocorreu respectivamente a refração do feixe de luz incidido sobre a lente. Entretanto na côncava o raio refratado foi invertido porém quando com o espelho a luz refratada sofreu um afastamento dos seus raios adjacentes.
R: Em um espelho plano, nota-se que o ângulo de incidência (i) é igual ao ângulo de reflexão (r).
- Com base nas observações acima, escrever as leis da reflexão.
R: 1ª lei: o raio incidente, a normal e o raio refletido estão em um mesmo plano;
2ª lei: o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão: i = r.
Propriedades do raio luminoso na lente divergente
- Como se chama o ponto de cruzamento do feixe luminoso emergente como o eixo principal da lente?
R: Centro óptico.
- Na lente divergente o foco é real ou virtual?
R: Virtual.
- Enunciar as propriedades do raio luminoso na lente divergente.
R: * Os focos F e F’ da lente divergente são simétricos em relação ao centro óptico O, desde que a lente esteja totalmente imersa num único meio homogêneo. Assim: OF=OF’. Também são denominados focos principais, pois estão sobre o eixo principal da lente.
Nas lentes divergentes, os focos são elementos virtuais.
Vale a propriedade da reversibilidade: se os raios incidentes na lente divergente tiverem prolongamento passando por um dos focos, os respectivos raios emergentes serão paralelos ao eixo principal.
Propriedades do raio luminoso na lente convergente
- Como se chama o ponto de cruzamento do feixe luminoso convergente com o eixo principal da lente convergente?
R:
- Na lente convergente o foco é real ou virtual?
R: Real.
- Enunciar as propriedades do feixe luminoso na lente convergente.
R: * Quando a lente se encontra em um único meio homogêneo (por exemplo, o ar), os focos principais, F e F’, são simétricos em relação ao ponto O, centro óptico: OF=OF’.
- Nas lentes convergentes, os focos principais F e F’ são reais.
- Usando a propriedade da reversibilidade da luz, é possível verificar que: se os raios de luz partirem do foco F e incidirem na lente, após a refração os raios emergentes serão paralelos ao eixo principal, desde que a incidência seja próxima ao centro óptico. Propriedade análoga se verifica para o foco F’.
Determinação do índice de refração do ar em relação ao acrílico
- Por que não foi possível completar a tabela para o ângulo de 45º?
R: Porque o ângulo limite é inferior a 45º (42°).
- A razão sen i por sen r é ___________.
R: Constante.
- O raio luminoso ao passar do acrílico para o ar se __________ da reta normal.
R: Afasta.
- Que fenômeno ocorreu no ângulo de incidência de 45º?
R: Reflexão total.
- Observar novamente o experimento e definir o ângulo limite. Qual o valor do ângulo limite para o acrílico?
R: 42º
- Quais são as condições necessárias para que ocorra reflexão total?
R: A luz tem de indo do meio mais refringente para o menos refringente; o ângulo de incidência maior que o ângulo limite.
Determinação do índice de refração do acrílico em relação ao ar
- A razão sen i/sen r é __________.
R: Constante.
- Quando o raio luminoso passar do ar para o acrílico ele se ___________ da reta normal.
R: Aproxima.
- Escrever as leis da refração.
R: 1ª lei: O raio incidente, o raio refratado e a normal, no ponto de incidência, estão contidos num mesmo plano.
2ª lei: ________________ (I)
__________________________________________ (II)
Observando a equação I, conclui-se que, onde o ângulo for menor, o índice de refração será maior.
Propriedades do raio luminoso no espelho côncavo
- Todo raio de luz que incide no vértice do espelho, ao refletir-se, forma com o eixo principal ângulo de reflexão igual ao de incidência (raios simétricos em relação ao eixo principal).
- Todo raio de luz que incide no espelho convexo obliquamente ao eixo principal, ao refletir-se, tem seu prolongamento passando pelo respectivo foco secundário.
