A luz é o foco do estudo da óptica geométrica. Nessa ciência, os raios luminosos são observados como partículas, que admitem um modelo geométrico para se propagar no ar.
A óptica geométrica traz explicações para diversos fenômenos do cotidiano, como a visão que temos de uma mão embaixo d’água, que geralmente fica maior que o normal. Informa como acontece a reflexão da imagem nos espelhos, como elas podem ser aumentadas ou diminuídas em espelhos convexos ou côncavos.
Se você quer saber mais sobre os estudos da óptica geométrica, com os conceitos mais importantes do assunto, além de ver exemplos de como eles podem aparecer no vestibular, continue a ler este artigo!
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Conceitos importantes da óptica geométrica
Para estudar a luz como partícula, vamos considerar que um raio de luz é uma trajetória reta por onde a luz vai se propagar, em uma direção e sentido. Geralmente, nos esquemas, eles são representados por setas que partem de um objeto luminoso.
A luz emitida pode ter diferentes origens. Quando a fonte luminosa gera luz em si mesma, como as lâmpadas e o sol, são denominadas de fontes primárias. Entretanto, alguns corpos de luz transmitem uma luminosidade que não provém deles diretamente, como é o caso da lua, que apenas reflete a luz recebida do sol.
A iluminação pode ocorrer de duas diferentes formas:
- A partir de uma fonte pontual, quando apenas um “pontinho” é responsável por espalhar a luz para grande área; ou
- Por meio de fonte extensa, quando a fonte luminosa é consideravelmente maior do que o objeto a ser iluminado, por exemplo uma lanterna clareando uma formiga.
Um conjunto de raios de luz é chamado de feixe de luz, termo muito empregado para o estudo da óptica geométrica.
Quando o feixe luminoso parte de uma fonte pontual, em diversas direções, ele é chamado de feixe divergente, porque os raios de luz divergem na trajetória.
Entretanto, quando utilizamos um objeto que origina raios luminosos que se concentram em um ponto, entendemos que o trajeto do feixe é convergente (que se encontra, se une).
Existem também os raios paralelos. O principal exemplo são os feixes solares, que chegam à superfície da Terra paralelos. Observe, no esquema abaixo, uma comparação entre essa trajetória de raios luminosos.
a – raios divergentes
b – raios convergentes
c – raios paralelos
Meios de propagação da luz
A luz pode ser incidida em diferentes meios, que apresentam classificações:
- Meios opacos são aqueles que os raios de luz não conseguem atravessar. Imagine, por exemplo, uma madeira maciça, onde ocorre apenas a reflexão da luminosidade;
- Meios translúcidos permitem a passagem de luz, mas parcialmente. Plásticos transparentes, óculos de sol, janelas coloridas, sacolas plásticas são bons exemplos; e
- Meios transparentes são aqueles que permitem a travessia de raios luminosos, com perfeita correspondência. Assim, a imagem formada no material é exatamente igual ao real, o ar e o vácuo são os principais modelos.
Princípios da óptica geométrica
Para iniciar os estudos sobre óptica geométrica, vamos conhecer os três princípios que regem essa ciência.
- Princípio da propagação retilínea dos raios de luz: a luz não faz curva. Todo seu trajeto é retilíneo, em meios homogêneos e transparentes;
- Princípio da independência dos raios luminosos: quando dois raios de luz se cruzam, um não interfere na trajetória do outro — cada um segue independentemente seu caminho; e
- Princípio da reversibilidade dos raios de luz: o caminho que a luz percorre para ir do ponto A para o ponto B, é a mesma trajetória que percorrerá para ir de B até A.
Fenômenos ópticos
Reflexão
A reflexão nada mais é do que os raios luminosos que incidem sobre uma superfície e voltam para o meio de onde vieram, como você pode observar na representação esquemática acima.
Note que a trajetória do raio de luz depende da reta normal da superfície, marcada em verde. Essa reta é a perpendicular perfeita para o objeto em questão, e determina o ângulo com que o raio luminoso retorna para o meio.
Quando a superfície é irregular, os ângulos formados são mais aleatórios e a imagem formada é deformada. Você pode observar esse fenômeno ao observar uma água límpida parada, sua imagem na água será perfeita. Entretanto, se algo movimentar a superfície aquática, formam-se novos ângulos e a imagem torna-se irregular.
Refração
O fenômeno da refração acontece quando um raio luminoso atravessa uma superfície, partindo de um meio para outro. Por exemplo, do ar para a água (piscina), do ar para o vidro (óculos), etc.
Depois de completar a travessia, a luz sofre um desvio de sua trajetória. O raio luminoso pode se aproximar mais da reta normal, ou se afastar dela. Tudo isso depende de um conceito físico conhecido como índice de refração (η).
As imagens abaixo abordam a fórmula de η e como os desvios acontecem:
- Quando a luz atravessa de um meio de maior η para um meio de menor índice de refração, o raio de luz se afasta da normal.
- Se a luz está partindo de um meio com menor índice de refração do que o η2 para onde está indo, sua trajetória se aproxima da reta normal.
Absorção
Quando a luz não atravessa uma superfície e nem é refletida por ela, sofrerá o fenômeno de absorção. Nesse caso, a energia luminosa será convertida em energia térmica — por isso que, quando deixamos um objeto exposto à luz do sol, ele tende a aumentar de temperatura.
Roupas pretas, por exemplo, absorvem muito bem a luminosidade. Em dias claros, isso resultará em um grande aumento da temperatura e, por isso, é de sabedoria popular que devemos evitar o uso de roupas escuras no calor.
Quando vemos um objeto colorido, significa que aquele material absorveu todos os comprimentos de onda e refletiu apenas a cor específica que reflete, por exemplo vermelho.
Materiais brancos são aqueles que refletem todas as cores ao mesmo tempo e o preto, no lado oposto, é a cor que absorve todos os espectros luminosos.
+ Veja também: Como cai a óptica no Enem
Questão do Enem sobre óptica geométrica
(Enem 2017) No hemisfério Sul, o solstício de verão (momento em que os raios solares incidem verticalmente sobre quem se encontra sobre o Trópico de Capricórnio) ocorre no dia 21 ou 23 de dezembro. Nessa data, o dia tem o maior período de presença de luz solar. A figura mostra a trajetória da luz solar nas proximidades do planeta Terra quando ocorre o fenômeno óptico que possibilita que o Sol seja visto por mais tempo pelo observador.
Qual é o fenômeno óptico mostrado na figura?
a)A refração da luz solar ao atravessar camadas de ar com diferentes densidades.
b)A polarização da luz solar ao incidir sobre a superfície dos oceanos.
c)A reflexão da luz solar nas camadas mais altas da ionosfera.
d)A difração da luz solar ao contornar a superfície da Terra.
e)O espalhamento da luz solar ao atravessar a atmosfera.
Alternativa correta: letra A. Ao atravessar camadas de ar com diferentes densidades, a luz sofrerá o fenômeno de refração, criando a imagem mostrada acima.
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