Luz

1- Ondas de luz e a sua propagação

Radiação eletromagnética

A luz desempenha um papel fundamental na nossa vida. Para além de nos permitir ver tudo o que nos rodeia, também nos transmite informação. A luz chega até nós sob a forma de ondas (radiações) eletromagnéticas que se propagam no vazio e em qualquer meio transparente, a grande velocidade. O ramo da física que estuda a luz, denomina-se ótica.

Existem vários tipos de radiações, mas o olho humano apenas deteta as radiações vísiveis (luz vísivel). As restantes radiações não são visíveis ao olho humano. O conjunto de todas as radiações constitui o espetro eletromagnético.

As ondas de rádio, as micro-ondas, as radiações infravermelhas, as radiações ultravioleta e os raios X são exemplos de radiações não visíveis ao olho humano, ou seja, constituem a fração de luz não visível do espetro eletromagnético. Também estas radiações têm aplicações práticas no nosso dia a dia, à semelhança das radiações visíveis.

Exemplos de aplicação de luz não visível

Ondas de rádio

emitidas naturalmente pelo Sol e pelas estrelas, são detetadas pelos radiotelescópios;
produzidas artificialmente por antenas transmissoras, são usadas nas comunicações e na transmissão de informação.

Micro-ondas

produzidas nos fornos micro-ondas, onde são absorvidas pela água dos alimentos proporcionando a sua cozedura e aquecimento.

Radiação infravermelha

emitida por qualquer corpo, são usadas em máquinas fotográficas permitindo tirar fotos de noite ou em ambientes sem luz.

Raios X

emitidas pelas estrelas;
podem, também, ser produzidas artificialmente na Terra, sendo utilizadas em medicina radiológica para a obtenção de radiografias do corpo humano.

As ondas eletromagnéticas resultam de vibrações eletromagnéticas, isto é, da alteração das propriedades elétricas e magnéticas em diferentes meios (por exemplo, no ar ou na água) e no vazio.

As vibrações destas ondas ocorrem perpendicularmente à direção de propagação e, por isso, são classificadas de ondas transversais.

As ondas eletromagnéticas, tal como as ondas mecânicas, não só transportam energia, como também a transferem.

Durante a propagação da onda eletromagnética há transporte e transferência de energia.

Ondas mecânicas

resultam da vibração das partículas do meio onde a perturbação se dá;
precisam de um meio material para se propagarem.

Exemplos: ondas sonoras, ondas sísmicas, ondas de superfície na água.

Ondas

eletromagnéticas

resultam da propagação no espaço de perturbações elétricas e magnéticas a grande velocidade;
propagam-se no vazio, sem o auxílio de quaisquer partículas materiais.

Exemplos: luz.

As ondas eletromagnéticas são caracterizados pela frequência, o período e a velocidade de propagação. Ao contrário da frequência e do período, a velocidade de propagação de uma onda eletromagnética depende do meio de propagação.

No vazio, a velocidade de propagação é igual para qualquer tipo de onda eletromagnética e tem o valor de 3 m/s, que é a velocidade máxima com que a energia ou a informação podem ser transmitidas.

A frequência das radiações eletromagnéticas está relacionada com a energia que transportam. Quanto maior é a frequência, mais energia ela transporta e menor é o tempo que a radiação demora a repetir as suas características (período).

A figura seguinte representa as radiações do espetro eletromagnético por ordem crescente de frequência, com exemplos de algumas das suas aplicações no dia a dia.

Triângulo de visão

Para podermos visualizar os corpos que nos rodeiam é necessário que os nossos olhos recebam a luz visível que esses corpos emitem ou refletem. Podemos classificar os corpos em luminosos e iluminados, tendo em conta se emitem luz (visível) própria ou não.

Corpos

luminosos

têm luz própria;
são fontes de luz, pois enviam a luz que eles próprios produzem.

Exemplos: Sol e estrelas (fontes naturais de luz); vela acesa e lâmpada acesa (fontes artificiais de luz), etc.

Corpos

iluminados

não têm luz própria;
recebem luz dos corpos luminosos e reenviam-na, total ou parcialmente, para os nossos olhos.

Exemplos: planetas, Lua, pessoas, etc.

O corpo luminoso, o corpo iluminado e o detetor (os nossos olhos) constituem o triângulo de visão.

Propagação da luz

Os corpos iluminados não se comportam todos da mesma maneira quando são atingidos pela luz visível. O seu comportamento depende do tipo de material de que são feitos.

Corpos

transparentes

deixam-se atravessar pela totalidade da luz visível que neles incide;
os objetos são observados com nitidez através deles;
a luz não se difunde neles;

Exemplo: vidro

Corpos

translúcidos

apenas se deixam atravessar parcialmente pela luz visível que neles incide;
os objetos não são observados com nitidez através deles;
a luz difunde-se neles;

Exemplo: vidro fosco

Corpos

opacos

não se deixam atravessar pela luz visível que neles incide;
não é possível ver os objetos através destes corpos;

Exemplo: parede de tijolo

Num meio transparente e homogéneo, a propagação da luz faz-se em todas as direções e em linha reta.

Assim, é possível ver a luz da lanterna através do tubo retilíneo porque ela consegue chegar até aos nossos olhos.

Mas, como a luz não consegue mudar de direção, não se consegue ver a luz da lanterna através de um tubo dobrado.

Outra consequência da propagação da luz ser retilínea é o aparecimento de sombras. Quando a luz incide num corpo opaco produz uma sombra, uma vez que a luz é impedida de continuar o seu trajeto. Esta forma-se sempre do lado oposto ao da incidência da luz visível. O aparecimento das zonas de sombra e de penumbra depende das dimensões da fonte luminosa e do objeto. Exemplos disso são os eclipses da Lua e do Sol.

2- Fenómenos óticos: reflexão

Em ótica geométrica, a luz é representada por raios de luz que indicam a direção de propagação, através de uma linha, assim como o sentido dessa propagação, através de uma seta.

Quando se representa mais do que um raio de luz, temos um feixe de luz que pode ter raios paralelos (a direção de propagação dos raios é paralela), divergentes (a direção de propagação dos raios faz com que estes partam do mesmo ponto e se afastem) ou convergentes (a direção de propagação dos raios faz com que estes se unam num ponto).

Durante a propagação da luz, a direção de propagação pode ser perturbada quando esta encontra um obstáculo. Quando o feixe de luz encontra um objeto pode ser reflexão e/ou refração, alterando a sua direção de propagação.

Reflexão da luz

A reflexão da luz é um fenómeno ótico em que o raio de luz ao incidir num objeto refletor desvia a sua direção de propagação mas continua a propagar-se no mesmo meio.

A reflexão da luz obedece a duas leis:

1.ª lei- o raio incidente, a normal e o raio refletido estão todos no mesmo plano.

2.ª lei- o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.

A direção de propagação dos raios de luz varia consoante a superfície onde os raios são refletidos.

Tipos de reflexão

Especular ou regular

os raios refletidos são paralelos;
a luz é refletida numa só direção;
ocorre em superfícies polidas lisas.

Difusa ou irregular

os raios refletidos não são paralelos;
a luz é refletida em várias direções;
ocorre em superfícies rugosas.

Contudo, sempre que a luz incide numa superfície, para além dos raios que são refletidos, há outro que são absorvidos pela superfície- absorção da luz

Neste caso, a intensidade da luz refletida é menos do que a intensidade da luz incidente na superfície

Espelhos

Os espelhos são superfícies polidas lisas que fornecem imagens por reflexão regular da luz, ou seja, obedecendo às leis da reflexão. Podem ser planos ou curvos.

Podem originar dois tipos de imagem:

real- imagem que resulta dos raios de luz que são refletidos; forma-se à frente do espelho e pode ser projetada numa tela.
virtual- imagem que resulta do prolongamento dos raios de luz refletidos; forma-se atrás do espelho e não pode ser projetada numa tela.

Espelho plano

A imagem obtida num espelho plano tem as seguintes características:

é virtual (forma-se atrás do espelho);
tem o mesmo tamanho do objeto;
forma-se a uma distância do espelho igual à distância entre o objeto e o espelho;
é simétrica ao objeto;

Espelhos curvos

Os espelhos curvos podem ser côncavos ou convexos dependendo da superfície onde se encontra a face polida lisa.

Espelhos côncavos

Todos os raios refletidos por um espelho côncavo convergem num ponto chamado foco que se localiza em frente ao espelho e, por isso, se designa por foco real.

Os espelhos côncavos originam luz convergente.

Exemplo: parte interior da colher

Espelhos convexos

No caso dos espelhos convexos, os raios refletidos cruzam-se num ponto imaginário resultante do seu prolongamento para trás do espelho. Este ponto chama-se foco virtual. À frente do espelho os raios refletidos nunca se cruzam, por isso, diz -se que são divergentes.

Os espelhos convexos originam luz divergente.

Exemplos: espelhos de segurança radoviária

3- Fenómenos óticos: refração

Refração da luz

A refração da luz é um fenómeno ótico que ocorre quando um raio luminoso incide na superfície de separação de dois meios transparentes diferentes e passa de um para o outro, geralmente com mudanças de direção.

Lentes

Uma lente é um objeto ótico feito de um material transparente delimitado por uma ou duas superfícies curvas.

As lentes refratam a luz quando esta incide sobre elas alterando a direção de propagação da luz.

Tipos de lentes

Convexa ou

convergente

Convexa ou

convergente

os raios que saem da lente convergem num ponto- foco principal;
o foco é real;

Côncava ou

divergente

os raios que saem da lente não se cruzam num ponto, divergem uns dos outros (afastam-se);
o prolongamento dos raios para trás da lente permite encontrar um ponto em que os raios se cruzam- foco principal;
o foco é virtual;

A distância entre o foco e o centro da lente denomina-se distância focal.

A distância focal está relacionada com o tipo de lentes e com a potência focal das lentes. Nas lentes convergentes, como o foco é foco é real, a distância focal é positiva. Nas lentes divergentes, como é foco virtual, a distância é negativa.

A potência focal (P) das lentes mede o poder de convergência ou divergência de uma lente (relacionado com a curvatura da lente) e a unidade de medida do sistema internacional é a dioptria (D),

Se uma lente tem uma potência focal positiva essa lente é convergente. Se tem uma potência focal negativa é divergente.

As características das imagens formadas pelas lentes dependem do tipo de lente e da distância do objeto à lente.

Olho humano

O olho é o orgão responsável pelo sentido da visão. A sua função é captar as ondas de luz recebidas dos objetos e enviá-las para o cérebro. Podemos dizer que o olho humano é um recetor de luz.

Tipos de defeitos de visão

Hipermetropia

Manifestação: Dificuldade de ver ao perto;
Local de formação da imagem: Atrás da retina;
Tipo de lente para correção: Lente convergente.

Miopia

Manifestação: Dificuldade de ver ao longe;
Local de formação da imagem: Antes da retina;
Tipo de lente para correção: Lente divergente.

Dispersão da luz

A luz branca é policromática, uma vez que se pode decompor nas diferentes radiações que a constituem quando incide num prisma ótico ou em gotículas de água.

Quando se faz incidir uma radiação de determinada cor numa das faces do prisma e esta não se decompõe, ou seja, emerge do prisma a mesma cor, diz-se que é uma radiação monocromática.

A luz branca é um conjunto de radiações monocromáticas de frequência característica, ou seja, as radiações monocromáticas não se decompõe noutras radiações de cores diferentes.

A dispersão da luz é um fenómeno que consiste na decomposição da luz branca (radiação policromática) nas radiações que a constituem (radiações monocromáticas) o vermelho, o alaranjado, o amarelo, o verde, o azul, o anil e o violeta.

Como se explica a decomposição da luz branca?

As radiações de diferentes frequências que constituem a luz branca propagam-se no ar coma mesma velocidade. Ao incidirem no vidro, como o meio de propagação muda, sofrem refração. A refração ocorre de forma diferente pois a velocidade de propagação de cada uma delas no interior do vidro é diferente e, por isso, observam-se separadas.

Como as velocidades de propagação são diferentes, os ângulos de refração também o são. Quanto maior for a frequência da radiação, menor será a velocidade de propagação e maior será o desvio sofrido (menor ângulo de refração).

A cor dos objetos

A cor de um objeto opaco corresponde à cor da luz ou luzes que ele reflete para os nossos olhos. A luz refletida depende do material de que o objeto é feito e da cor da luz com que é iluminado.

Quando é iluminado com luz que não é branca:

Uma flor vermelha apresenta cor preta se for iluminada, por exemplo, por uma luz verde. A flor verde só reflete a cor vermelha, logo, absorve todas as outras cores e só apresenta cor vermelha se sobre ela incidir luz vermelha;
Uma folha verde continuará verde se for iluminado com uma luz verde, mas será preta se for iluminada com luz vermelha. A folha verde reflete a luz verde que nela incide.