Óptica Geométrica

A Óptica Geométrica tem como objetivo demonstrar o comportamento da luz quando se propaga em um meio, quando incide em uma superfície (a atinge) e os fenômenos associados a isso. Consequentemente, por estar relacionada ao comportamento da luz, a Óptica Geométrica está associada ao estudo da visão, da formação das cores, imagens, entre outros assuntos.

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Resumo sobre Óptica Geométrica

• A Óptica Geométrica estuda o comportamento dos raios de luz.

• A luz é a grandeza conhecida que possui a maior velocidade.

• A luz se propaga de três maneiras: feixe paralelo, feixe divergente ou feixe convergente.

• Três princípios regem a Óptica Geométrica: a propagação retilínea da luz, a independência dos feixes de luz e a reversibilidade do trajeto da luz.

• Os três tipos de superfícies sobre os quais a luz incide são: transparentes, translúcidos e opacos.

• Quando a luz é projetada sobre uma superfície, diversos fenômenos podem ser observados. Os principais são: reflexão, refração e absorção.

• A refração é caracterizada pela projeção da luz em uma superfície e seu trespasse.

• Na reflexão, a luz, ao ser projetada em uma superfície, retorna ao meio original.

• Na absorção, a luz é convertida em energia pela superfície.

O que estuda a Óptica Geométrica?

Óptica Geométrica é a área da Física que tem como objetivo estudar o comportamento da luz. Isso engloba a forma como ela se propaga em um meio, a classificação das superfícies em relação ao comportamento delas em relação à luz e os fenômenos que ocorrem quando a luz atinge as superfícies.

A luz é a grandeza que possui a maior velocidade, sendo algo em torno de 299.792.458 m/s. Geralmente, para facilitar os cálculos, aproxima-se esse valor para 300.000.000 m/s (3.10⁸ m/s) ou 300.000 km/s (3.10⁵ km/s). A distância percorrida pela luz em um ano é chamada de ano-luz, sendo que um ano-luz cobre uma distância de aproximadamente 9,46.10¹¹ km ou 9,46.10¹⁴ m.

Formas de propagação da luz

A luz se propaga na forma de três tipos de feixes de luminosos que são formados por vários raios de luz ou pincéis de luz. Estes são algo como linhas de luz, a forma mais básica de propagação. Os três tipos de feixe de luz são:

• Feixe paralelo: os raios de luz são paralelos uns com outros, sem ângulos de abertura para separá-los no decorrer da propagação no meio. Essa forma é muito utilizada em holofotes ou lanternas para mergulho.

• Feixe divergente: há um ângulo de abertura entre os raios de luz que faz com eles se separem à medida que se propagam no meio. Exemplos desse feixe são as lâmpadas domésticas ou lanternas comuns.

• Feixe convergente: ocorre quando raios de luz se aproximam no decorrer da propagação. Para esse efeito, é necessário algum tipo de lente. Projetar a luz do Sol em uma lupa para causar a combustão em pequenos pontos é um exemplo disso.

Princípios da Óptica Geométrica

A Óptica Geométrica possui três princípios (leis) que demonstram como ocorre a propagação da luz em um meio.

• Primeira lei — Propagação retilínea da luz: seu enunciado diz que “em um meio homogêneo, a luz sempre percorre uma linha reta”. Portanto, a menos que a luz troque de meio (do ar para a água, por exemplo) ou se aproxime de algo que distorça grandemente o meio, como um buraco negro ou um corpo muito massivo, ela não faz curvas, se mantendo sempre retilínea.

• Segunda lei — Independência dos feixes de luz: seu enunciado diz que “quando se cruzam, dois ou mais raios de luz não se interferem”. Quando dois feixes luminosos se cruzam, não acontece interferência destrutiva. O que ocorre, no máximo, é uma superposição de ondas. Quando dois feixes incidem no mesmo lugar, ele só ficará mais iluminado.

• Terceira lei — Reversibilidade do trajeto da luz: seu enunciado diz que “a trajetória de um raio de luz não muda quando seu sentido é invertido”. Isso significa que o caminho que a luz percorre para ir do ponto A até o ponto B é exatamente o mesmo que ela faz para ir de B até A.

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Tipos de meios ou superfícies na Óptica Geométrica

Para a Óptica Geométrica, as superfícies onde a luz é incidida são classificadas de três formas. A classificação varia de acordo com a forma como elas possibilitam que a luz as transpassem.

• Superfícies transparentes: são aquelas que permitem que os raios de luz passem totalmente. Para uma superfície ser considerada transparente, a imagem vista através dela e sem ela deve ser exatamente a mesma, sem deformação alguma. Alguns exemplos são o ar, o vácuo (meio com ausência até mesmo de gases) e certos tipos de vidro.

• Superfícies translúcidas: caracterizadas por permitir parcialmente a passagem dos raios de luz. Exemplos delas são os óculos de Sol, vidros coloridos e sacolas de plástico.

• Superfícies opacas: são as superfícies que não permitem a passagem dos raios de luz. Exemplos desse tipo de meio são tijolos, madeira, PVC e cerâmicas.

Fenômenos da Óptica Geométrica

Quando a luz é projetada sobre uma superfície, é possível observar alguns tipos de fenômenos. Os principais deles são reflexão, refração e absorção.

• Reflexão

Na reflexão, a luz incide em uma superfície e retorna ao mesmo meio. Quando o ângulo formado pelo raio incidente é igual ao do raio refletido, ocorre a reflexão regular. É o que ocorre quando alguém se posiciona em frente a um espelho, ou seja, a imagem é igual ao objeto. Se os ângulos forem diferentes, ocorre a reflexão difusa ou irregular. Isso implica que a imagem terá deformações em comparação com o objeto. Exemplos disso são o reflexo do papel alumínio ou do vidro das janelas de automóveis.

• Refração

A refração ocorre quando a luz passa de um meio para outro — do ar para a água ou do ar para o vidro, no caso dos óculos, por exemplo. Quando a luz passa, ela sofre um desvio em sua trajetória. O ângulo do desvio depende do tipo de meio onde estava e do tipo do meio para o qual atravessou.

Esse é o fenômeno observado em óculos de correção visual, em retroprojetores e em recipientes com água que contenham um objeto dentro.

• Absorção

Na absorção, a luz não atravessa nem é refletida — ela é absorvida pela superfície e convertida em energia, no caso do tipo térmica. Devido a isso, em dias claros e com temperatura elevada, não é adequado sair com roupas escuras e opacas, porque elas absorvem a luz do Sol e elevam a sensação térmica.

Quando se percebe a cor de um objeto, é devido à ocorrência da absorção e reflexão. A luz branca é incidida no objeto, quase todos os espectros são absorvidos e um é refletido. O espectro refletido é aquele da cor que é percebida. Quando a luz branca incide em uma superfície branca, ela é totalmente refletida. Quando a superfície é preta, a luz é absorvida.

Exercícios resolvidos sobre Óptica Geométrica

Questão 1

A estrela Proxíma Centauri se encontra a aproximadamente 4,0678 · 10¹² km do planeta Terra. Quanto é essa distância em anos-luz?

a) 5,7

b) 6,8

c) 4,3

d) 19

e) 3

Resposta:

Como a distância fornecida está em quilômetros, deve-se fazer uma regra de três simples.

1 ano-luz — 9,46 · 10¹¹ km

x — 4,0678 · 10¹² km

Como se trata de uma regra de três, os números são multiplicados na diagonal, ou seja, o superior direito com o inferior esquerdo e o inferior direito com o superior esquerdo.

9,46 · 10¹¹ · x = 1 · 4,0678 · 10¹²

\(x=\frac{4,0678·{10}^{12}}{9,46·{10}^{11}}=0,43·10=4,3\,anos-luz\)

Gabarito: C

Questão 2

O fenômeno e o princípio da Óptica Geométrica associados a um motorista ver o passageiro no banco de trás pelo retrovisor e o passageiro ver o motorista pelo mesmo espelho são:

a) refração e independência dos feixes de luz.

b) transparência e propagação retilínea da luz.

c) reflexão e independência dos feixes de luz.

d) reflexão e reversibilidade do trajeto da luz.

e) absorção e reversibilidade do trajeto da luz.

Resposta:

A questão se refere a alguém observar um espelho, então o fenômeno se trata da reflexão. Considerando o motorista como o ponto A e o passageiro como o B, a luz vista por A em B é vista por B em A. Logo, trata-se do princípio da reversibilidade do trajeto da luz.

Gabarito: D