Princípios da óptica, reflexão e espelhos planos (ENEM Física): Notas de revisão

Princípios da óptica, reflexão e espelhos planos

A luz

A luz pode ser definida como uma forma de energia radiante que se propaga através de ondas eletromagnéticas e é responsável pela sensação da visão quando atinge nossos órgãos visuais.

Características da luz

Uma das propriedades mais importantes das ondas eletromagnéticas é sua velocidade extremamente alta. No vácuo, todas as ondas eletromagnéticas viajam na mesma velocidade, representada pela letra c, que corresponde à maior velocidade possível na natureza:

$c = 300.000 \text{ km/s} = 3 \times 10^5 \text{ km/s} = 3 \times 10^8 \text{ m/s}$

Ano-luz

O ano-luz é uma unidade de distância que representa a distância percorrida pela luz no vácuo durante um ano:

$1 \text{ ano-luz} = 9{,}5 \times 10^{12} \text{ km}$

Fontes de luz

Uma fonte de luz é qualquer objeto visível que emite luz para nossos olhos. As fontes podem ser classificadas de diferentes formas:

Quanto à origem da luz

• Corpo luminoso ou fonte primária: Objetos que possuem luz própria, como o Sol, uma lâmpada ou uma vela acesa
• Corpo iluminado ou fonte secundária: Objetos que não possuem luz própria, apenas refletem a luz que incide sobre eles, como a Lua, uma apostila ou você mesmo

Quanto às dimensões

• Fonte pontual ou puntiforme: Fontes que possuem dimensões desprezíveis em relação às outras dimensões envolvidas, como uma estrela distante ou uma lâmpada muito afastada do observador
• Fonte extensa: Uma fonte é considerada extensa quando não é possível desprezar suas dimensões, como uma lâmpada fluorescente próxima do observador

Raios de luz e feixes de luz

Raio de luz

O raio de luz é a representação da trajetória da luz, indicando sua direção e sentido. De cada ponto de uma fonte de luz saem infinitos raios de luz.

Feixes de luz

Dependendo do comportamento dos raios, podemos ter diferentes tipos de feixes:

• Feixe cônico convergente: Todos os raios de luz convergem para um mesmo ponto, conseguido com ajuda de uma lente convergente
• Feixe cônico divergente: Todos os raios de luz divergem de um mesmo ponto, como em um farol de automóvel
• Feixe cilíndrico paralelo: Os raios luminosos são paralelos, como nos holofotes

Meio de propagação

Quanto à propagação da luz, os meios podem ser classificados em:

• Transparente: Meio que permite a visualização nítida dos objetos, pois a luz se propaga em trajetórias bem definidas
• Translúcido: Permite a visualização não claramente, devido às trajetórias distorcidas da luz
• Opaco: Não ocorre propagação da luz

Princípios da óptica geométrica

Os princípios fundamentais que regem o estudo das trajetórias da luz são três:

Princípio da independência dos raios luminosos

Princípio da propagação retilínea da luz

Princípio da reversibilidade dos raios luminosos

Aplicações dos princípios da óptica

Sombra

Na figura com uma fonte luminosa puntiforme representada por F, um disco opaco D e um anteparo A, observa-se uma área que não é iluminada pela fonte F. Considerando esta como a única fonte luminosa, esta região não iluminada constitui uma sombra. No anteparo, ocorre uma região denominada de sombra projetada.

Sombra e penumbra

Se um sistema for iluminado por uma fonte extensa ao invés de uma fonte pontual, ocorrerá, além das regiões de sombra e sombra projetada, áreas de penumbra e penumbra projetada, que consistem em regiões que são parcialmente iluminadas e serão uma transição entre áreas perfeitamente iluminadas e áreas de sombra total.

Eclipses

Os casos mais importantes de sombra e penumbra são os eclipses solares e lunares.

Eclipse lunar

O eclipse lunar acontece quando a Lua penetra no cone de sombra da Terra. Os eclipses lunares ocorrem somente em Lua cheia.

Eclipse solar

Os eclipses solares são mais amplos. Existem os eclipses anulares, que ocorrem quando o cone de sombra da Lua se fecha antes da Terra e permanece apenas a penumbra projetada.

Fases da lua

Câmara escura

Na câmara escura, podemos identificar um orifício e, diante desta caixa, um objeto luminoso AB. Os raios que partem do objeto AB atravessam o orifício O, penetram na câmara e projetam na parede oposta uma imagem semelhante ao objeto, porém invertida.

Ângulo visual

O ângulo visual representado na figura corresponde ao ângulo formado pelos raios que ligam as extremidades do objeto e os olhos do observador.

Reflexão da luz e espelhos planos

A reflexão da luz ocorre quando um raio luminoso atinge uma superfície e retorna para o meio no qual se propagava.

Elementos da reflexão

Os elementos que devem ser conhecidos são:

• RI → Raio incidente
• RR → Raio refletido
• N → Normal no ponto de incidência
• (S) → Símbolo de superfície plana refletora: o espelho plano

Leis da reflexão

Reflexão seletiva da cor dos corpos

Espelhos planos

O espelho plano é o sistema óptico mais simples de ser estudado e é também o mais facilmente encontrado no dia a dia. Constitui-se de uma superfície polida onde ocorre predominantemente a reflexão da luz.

Imagem conjugada por um espelho plano

Para estudarmos o comportamento da imagem de um ponto material produzida por um espelho plano, consideraremos um ponto P diante um espelho. A luz que parte de P incide obliquamente no espelho e sofre reflexão.

Campo visual

O campo visual corresponde à área que pode ser visualizada pelo observador olhando para o espelho.

Translação de um espelho plano

O movimento de translação de um espelho plano consiste em deslocar o espelho no mesmo eixo onde se encontra o objeto. Quando um espelho se desloca de uma distância x, a imagem se desloca de y.

A relação é: $y = 2x$

Rotação do espelho plano

O movimento de rotação do espelho plano acontece quando um espelho plano gira ao redor de um ponto fixo. Quando giramos um espelho de um ângulo igual a θ, o raio refletido também sofre um desvio.

Se imaginarmos a velocidade angular do espelho $(w_E)$ e da imagem $(w_i)$, teremos a seguinte relação:

$w_i = 2w_E$

Associação de espelhos planos

Podemos obter inúmeras imagens através da associação de espelhos planos. O número de imagens formadas pode ser obtido através da fórmula:

$n = \frac{360°}{\alpha} - 1$

Dimensão do espelho plano