Fenômenos Ópticos - FIS_V2_U4_T2 PDF

108 T E M A 2 Fenômenos ópticos Quando a luz se propaga pelo espaço, pode interagir com vários meios e obje- tos, podendo ocorrer, assim, diversos fenômenos. Neste tópico, você poderá estu- dar alguns deles. A figura ao lado mostra algu...

108 T E M A 2 Fenômenos ópticos Quando a luz se propaga pelo espaço, pode interagir com vários meios e obje- tos, podendo ocorrer, assim, diversos fenômenos. Neste tópico, você poderá estu- dar alguns deles. A figura ao lado mostra algumas pedras de gelo flutu- Photo courtesy photos-public-domain.com ando na água. Sobre essa situação, responda: A luz que ilumina o copo está sendo refletida dentro e fora da água pelo gelo? A luz que ilumina o copo está penetrando na água ou está sendo refletida pela superfície da água? O gelo está absorvendo a luz que ilumina o copo? A água está absorvendo a luz? Depois de estudar o tema, releia seus apontamentos e pense se você alteraria suas respostas. Reflexão da luz A reflexão da luz é o retorno © Tim Davis/Corbis/Latinstock da energia luminosa para a região de onde veio, depois de atingir uma superfície entre dois meios. Ocorre quando a luz incide sobre a superfície de separação entre dois meios e não tem energia sufi- ciente para atravessá-la, aconte- cendo principalmente em superfí- A luz solar é refletida pelas aves em várias direções. Parte dela chega aos olhos do observador, permitindo que as aves sejam vistas. Outra parte pro- cies opacas. duz o reflexo das aves na água.  UNIDADE 4 109 As leis da reflexão da luz Quando a luz incide numa © Hudson Calasans superfície que separa dois Ref lexão da luz meios e é refletida, podem-se Raio ref letido observar dois fenômenos que sempre acontecem e que são Ân g ul on Ângulo de or sintetizados em duas leis, cha- m al reflexão madas leis da reflexão da luz. r ^ Ângulo de incidência ^ i A primeira lei da reflexão Raio in cidente da luz estabelece que o feixe de Ponto de incidência luz incidente, a reta normal e o feixe de luz refletido pertencem a um mesmo plano. Elementos geométricos da reflexão da luz. A reta normal (tracejada) é perpendi- cular à superfície no ponto de incidência. O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão (i = r). A segunda lei da reflexão da luz estabelece que, durante a reflexão da luz, o ângulo de incidência î = r̂ (formado entre î = r̂ (formado entre o o feixe de luz incidente e a reta normal) e o ângulo de reflexão raio refletido e a reta normal) têm sempre o mesmo valor. Matematicamente pode-se escrever: î = r̂. Reflexão regular e difusa Reflexão regular Reflexão difusa (superfícies microscopicamente lisas) (superfícies microscopicamente rugosas) © Hudson Calasans A reflexão da luz pode ser regular, quando mantém o formato do feixe incidente, ou difusa, quando espalha a luz em várias direções. A difusão da luz é muito importante no processo de visão, pois possibilita que um objeto seja visto de lugares diferentes. Espelhos Todos os dias, milhões de pessoas se olham no espelho, seja ao ajeitar os cabelos ou ao cuidar dos dentes. Espelhos são encontrados em carros, transportes coletivos, 110 UNIDADE 4 garagens, e apresentam várias utilidades. O que valoriza muito um espelho é sua capacidade de produzir uma boa imagem. São chamadas de espelhos as superfícies lisas ou polidas nas quais ocorre a reflexão regular da luz, proporcionando a formação de imagens nítidas. Dependendo do formato da superfície do espelho, eles podem ser planos ou esféricos (côncavos ou convexos), entre outros formatos possíveis. Espelhos planos Os espelhos planos são relativamente fáceis de construir e produzem imagens nítidas e do mesmo tamanho do objeto que está à sua frente, motivo pelo qual são muito utilizados. A imagem formada por um espelho plano é virtual, como se estivesse atrás do espelho. Por isso não é possível projetar a imagem gerada por um espelho plano numa parede ou tela. (a) (b) © Hudson Calasans Espelho plano Espelho plano Objeto Imagem Objeto Imagem o i o i Distância do o=i Distância da Distância do o=i Distância da objeto ao espelho imagem ao espelho objeto ao espelho imagem ao espelho (c) © The Maas Gallery, London/Bridgeman Images/Keystone Aplicando as leis da reflexão, pode-se construir a imagem gerada para um ponto (a) ou para um objeto (b) por um espelho plano. Ela é simétrica em relação ao objeto, ou seja, a imagem parece estar atrás do espelho e à mesma distância do espelho do que o objeto está (c). Além disso, a imagem final é reversa, ou seja, os lados direito e esquerdo ficam invertidos.  UNIDADE 4 111 Aplicando as leis da reflexão, como © Daniel Beneventi Espelho nas imagens anteriores, conclui-se Objeto Imagem que a imagem gerada por um espelho plano é sempre virtual (formada atrás ATENÇÃO! !OÃÇNETA do espelho), direita (mantém o que Características da imagem estava embaixo no objeto na parte de Virtual Mesmo tamanho baixo da imagem e o que estava em Direta Reversa cima no objeto na parte de cima da imagem), do mesmo tamanho que o objeto que está à frente do espelho e reversa (troca o lado direito pelo esquerdo e vice-versa). 1 Simetria © Daniel Beneventi Atividade Numa revista em quadrinhos, um car- tunista desenhou um menino em frente de um espelho plano, cometendo alguns erros. Assinale, na figura, quatro erros relaciona- dos com as propriedades das imagens geradas por espelhos planos. Em seguida, escreva o nome deles, justificando sua resposta. Espelhos esféricos Espelhos esféricos são instrumentos de larga aplicação nos mais diversos sis- temas que constituem o cotidiano. Faróis e retrovisores nos meios de transporte, espelhos de dentistas e esteticistas, telescópios etc. são exemplos de instrumentos que utilizam a reflexão da luz em superfícies esféricas. Dependendo de sua curvatura, eles podem ser côncavos ou convexos. Os espe- lhos convexos sempre produzem imagens pequenas e diretas dos objetos, já os espelhos côncavos podem produzir vários tipos de imagens.  112 UNIDADE 4 Espelho côncavo (a) Espelho convexo (b) Espelho côncavo Espelho convexo de luz refletido converge O feixe de luz refletido diverge O feixe de luz refletido converge O feixe de luz refletido d © Hudson Calasans (c) (d) Fotos: © Eduardo Santaliestra O espelho convexo espalha a luz (a) e produz imagens direitas e menores do que o objeto (c), enquanto o espelho côncavo concentra a energia luminosa (b) e pode ampliar a imagem (d). Atividade 2 Espelhos Identifique o tipo de espelho utilizado para produzir cada imagem mostrada a seguir. Justifique sua resposta. a) © Chris Sattlberger/SPL/Latinstock b) © Juca Varella/Folhapress  UNIDADE 4 113 c) © antikainen/123RF d) © Oksana Tkachuk/123RF e) © David Page/Alamy/Glow Images Refração Lentes, lupas, vidros, e mesmo o © Hudson Calasans arco-íris e o olho humano, são exemplos de fenômenos associados à refração. A Reta refração da luz é a passagem da luz de normal um meio para outro com propriedades Raio incidente físicas distintas. Em geral, ela vem acom- i panhada de uma mudança na direção e Água r na velocidade de propagação da luz. Raio refratado Na trajetória até nossos olhos, a luz Ângulo muitas vezes acaba atravessando vários de refração outros meios, além do ar, como as lentes de óculos ou de contato, a água, o vidro das A refração da luz geralmente vem acompanhada por uma mudança na velocidade e na direção de propagação da luz. Quando a luz vai do janelas, celulares e relógios. Até mesmo ar para a água, ela se afasta da superfície, aproximando-se da reta normal, e diminuindo o ângulo de refração. Quando ela vai da água dentro de nossos olhos ela atravessa para o ar, acontece o contrário. 114 UNIDADE 4 vários meios antes de formar uma imagem. Toda vez que a luz passa de um meio para outro, ela sofre uma refração. Índice de refração A capacidade de um meio deixar a luz passar é medida por uma grandeza cha- mada índice de refração absoluto. Esse índice é representado pela letra n, e esta- belece uma proporção entre a velocidade da luz no vácuo (c) e a velocidade da luz no meio (v). c n= v Quanto maior for o índice de refração, menor será a velocidade da luz no meio e maior será o seu desvio. © Sidnei Moura Comportamento da luz Velocidade da luz Meio n Ângulo de refração (km/s) Não acontece refração Ar 300.000 1,00 em um mesmo meio. Ar 60º Ar 60º Água 225.000 1,33 Ar 60º 40º Água n = 1,33 40º Água n = 1,33 40º Água Ar n = 1,33 60º Ar 60º Ar 60º Vidro 200.000 1,50 Vidro 35º n Vidro = 1,50 35º n = 1,50 35º Vidro Ar n = 1,50 60º Ar 60º Ar 60º Diamante 21º Diamante 124.000 2,42 n = 2,42 Diamante 21º n = 2,42 Diamante 21º n = 2,42 Fonte: KNIGHT, Randall D. Física: uma abordagem estratégica, v. 2. 2. ed. São Paulo: Bookman, 2009. A velocidade da luz no ar é praticamente a mesma que no vácuo (299.900 km/s), enquanto materiais como o dia- mante podem reduzir a velocidade da luz em quase 60%. Além disso, quando a luz muda o meio de propagação, ela também altera sua direção de propagação. Note que, quanto maior o índice de refração, maior o desvio da luz.  UNIDADE 4 115 Exemplo A luz vermelha se propaga em um determinado vidro com velocidade de 200.000 km/s. Sendo 300.000 km/s a velocidade da luz no vácuo, determine o índice de refração absoluto do vidro para a luz vermelha. c 300.000 Como n = , então: n = = 1,5. v 200.000 Atividade 3 Pescaria © Daniel Beneventi Os indígenas, quando vão pescar, sabem que não devem arremessar a lança no local em que obser- vam o peixe, pois desse modo não conseguem pegá- -lo. Algumas etnias explicam tal fenômeno dizendo que é preciso acertar a alma do peixe, e não seu corpo, já que eles não andam juntos, mas próximos. Supondo que o indígena esteja vendo o peixe conforme a figura acima, consulte a tabela Comportamento da Luz (p. 114) e responda: aonde ele deve arremessar a lança para acertar o peixe: à frente ou atrás da imagem que ele está enxergando? Dispersão da luz A luz do Sol ou das lâmpadas que iluminam o ambiente é composta de diferen- tes cores que constituem a luz branca. Ao atravessar objetos, por exemplo, prismas ou cristais, a luz branca se separa em várias cores distintas. A dispersão da luz é um caso particular da refração. © Daniel Beneventi luz solar (branca) vermelho laranja Dispersão da luz num prisma: quando amarelo um feixe de luz branca passa por um verde prisma, é possível observar a decom- azul anil posição da luz branca em várias cores prisma de vidro diferentes, como vermelho, laranja, violeta amarelo, verde, azul, anil e violeta, entre outras. 116 UNIDADE 4 Isso também ocorre quando a luz atravessa uma mancha de óleo no chão. O arco-íris também é um exemplo de dispersão da luz nas gotas de água que com- põem a chuva ou no ar próximo a uma cachoeira. © Paul Edmondson/Corbis/Latinstock © Mauricio Simonetti/Pulsar Imagens Dispersão da luz em mancha de óleo. Dispersão da luz em gotas de água em uma cachoeira. Lentes As lentes são os instrumentos ópticos de mais larga aplicação. Elas podem ser encontradas em óculos, binóculos, telescópios, microscópios, máquinas fotográfi- cas, lunetas e vários outros aparelhos. Lentes são elementos ópticos transparentes limitados por duas superfícies, sendo pelo menos uma delas esférica. Em geral, as lentes são de vidro ou acrílico. Tipos de lente As lentes podem ser convergentes ou divergentes. Elas podem ter diferentes for- matos, mas nas lentes convergentes a borda é sempre mais fina do que o centro. Já as lentes divergentes apresentam as bordas sempre mais grossas do que o centro. © Daniel Beneventi LENTES CONVERGENTES LENTES DIVERGENTES biconvexa plano-convexa côncavo-convexa bicôncava plano-côncava convexo-côncava  UNIDADE 4 117 Lentes convergentes As lentes convergentes concentram o feixe paralelo da luz incidente num ponto, chamado foco da lente. Assim como os espelhos côncavos, elas podem produzir vários tipos de imagens, sendo que algumas delas podem ser projetadas numa tela. Por isso, são muito utilizadas em projetores de slides, filmes etc. (a) (b) Lente convergente Lente divergente © Hudson Calasans A lente convergente (a) concentra os raios paralelos de luz num ponto, chamado foco da lente, enquanto a lente divergente (b) espalha os raios de luz como se eles saíssem de um ponto. Lentes divergentes As lentes divergentes espalham a luz no espaço, como se toda luz partisse do ponto chamado foco da lente. Assim como os espelhos convexos, elas só produzem imagens direitas e menores do que o objeto à sua frente, e não podem ser projetadas. Lente convergente Lente divergente © Andrew Lambert Photography/SPL/Latinstock © Andrew Lambert Photography/SPL/Latinstock Devido a suas características distintas, as lentes produzem imagens diferentes de um mesmo objeto. As lentes con- vergentes, como os espelhos côncavos, produzem diferentes tipos de imagem, como a parte central da foto, que é maior e direita. As lentes divergentes produzem sempre uma imagem direita e menor do que o objeto. 118 UNIDADE 4 Atividade 4 Qual é a lente? A figura a seguir mostra uma pessoa segurando duas lentes diferentes diante dos olhos. Identifique qual delas é convergente e qual delas é divergente. Justifique sua resposta. © Eduardo Santaliestra Absorção A absorção da luz é um fenômeno muito importante para a manutenção da vida na Terra. As plantas verdes (que têm clorofila) absorvem a energia luminosa que vem do Sol e, por meio da fotossíntese, transformam-na em energia química, que será a base da alimentação de vários seres vivos na Terra. O ar, a água e o solo também absorvem a luz (assim como radiações de outras frequências) e a transfor- mam em calor, ajudando a controlar a temperatura do planeta. Na reflexão e na refração, a luz incidente continua como luz após refletir ou refratar. Já a absorção da luz envolve sua transformação em outra forma de energia. Ou seja, a energia luminosa transforma-se em energia térmica, química ou elétrica. © Zig Koch/Opção Brasil Imagens © NASA A absorção permite o aquecimento de água nas casas e o funcionamento dos satélites artificiais.  UNIDADE 4 119 Física – Volume 2 Princípios da luz Esse vídeo trata de temas como o conceito e as propriedades da luz e discute, por meio de exemplos do dia a dia, alguns conceitos estudados, de modo a auxiliá-lo a compreender os conteúdos abordados nesta Unidade. Enquanto assiste, você pode anotar possíveis dúvidas e comentários para levar posteriormente aos professores do CEEJA. Atividade 5 Qual é o fenômeno? Identifique que tipo de fenômeno óptico está envolvido em cada situação a seguir. a) Ampliação da imagem por uma lente. c) Fotossíntese. © Hudson Calasans © Daniel Beneventi Gás carbônico Luz solar Água Glicose (açúcar) Água Gás oxigênio b) Imagem formada no capacete d) Formação do arco-íris. do astronauta. © imagebroker/Alamy/Glow Images © NASA 120 UNIDADE 4 HORA DA CHECAGEM Atividade 1 – Simetria No chapéu as linhas não estão reversas; o olho esquerdo e o direito não estão reversos; o brinco na orelha está invertido; a boca não tem simetria. Atividade 2 – Espelhos a) Côncavo (imagem maior). b) Convexo (imagem menor e direita). c) Plano (imagem do mesmo tamanho). d) Côncavo (imagem maior). e) Côncavo (imagem invertida). Atividade 3 – Pescaria O indígena deve atirar a lança um pouco antes da posição na qual ele enxerga o peixe, pois, quando a luz sai da água em direção aos olhos do indígena, sua direção se altera, ficando mais próxima da superfície, o que pode ser observado na figura do ângulo de refração, apresentada no exercício. Veja a seguir uma versão explicativa da mesma figura. © Daniel Beneventi Fis_EM2_U4_060 caminho aparente da luz caminho real da luz Atividade 4 – Qual é a lente? A lente do olho esquerdo é divergente, pois o olho parece pequeno. A lente do olho direito é con- vergente, pois o olho parece grande. Atividade 5 – Qual é o fenômeno? a) Refração da luz na lente convergente. b) Reflexão da luz no capacete. c) Absorção da luz na fotossíntese. d) Dispersão da luz no arco-íris. UNIDADE 4 121