Óptica: origens e conceitos

Report
SIGNIFICADO DO COTIDIANO
≠
SIGNIFICADO DA FÍSICA
A Óptica é o ramo da Física que estuda a luz, sua origem, seu
comportamento e os fenômenos da natureza na qual está envolvida.
E onde a luz está envolvida?
A palavra luz possui diversos sentidos, assim seu
significado dependerá do meio social do qual estamos
participando.
Luz (Dicionário Michaelis)
sf (lat luce) 1 Agente que torna as coisas visíveis ou produz a iluminação. 2 Forma de energia radiante que transmitida de um corpo luminoso, ao
olho, age sobre os órgãos de visão. 3 A sensação assim produzida. 4 Forma semelhante de energia radiante, como os raios ultravioleta, que não
afeta a retina. 5 Iluminação, claridade, radiação luminosa provinda de uma fonte particular como vela, tocha, lâmpada elétrica, fogueira ou
qualquer substância em ignição. 6 A própria fonte de claridade, quando acesa, como vela, lâmpada, farol etc. 7 A iluminação da Terra, produzida
pelo Sol; luz solar, luz do dia ou luz natural. 8 Claridade que espalham os corpos celestes, quer irradiando raios luminosos, quer refletindo a
claridade recebida de outro astro: Luz da Lua. 9 Brilho, fulgor. 10 Iluminação mental ou espiritual; esclarecimento, explicação, ilustração. 11
Conhecimento público, publicidade, notoriedade: O vício receia a luz. 12 Saber, ciência, erudição: Homem de poucas luzes. 13 Certeza manifesta,
evidência, verdade. 14 O que esclarece a alma. 15 Pint Os pontos em que num quadro o artista imitou a luz. 16 Turfe Distância compreendida
entre a cola de um e a cabeça de outro cavalo, que um parelheiro leva de dianteira a outro. 17 Mec Espaço ou folga entre duas peças ou entre
duas superfícies. 18 gír Dinheiro. 19 Abertura livre sob um arco ou abóbada; vão. 20 Diâmetro na boca de um cano, tubo etc.; diâmetro interior.
sf pl A ciência; o progresso; noções, conhecimentos. L. alta, Teat: luz suplementar, proveniente de refletores instalados em planos altos, dirigida
sobre o cenário. L. artificial: a que o homem produz por meio da eletricidade, gás, querosene etc., para a iluminação quando e onde não há luz
solar ou quando esta é insuficiente para seus fins. L. ativa, Fot: luz capaz de provocar mudanças químicas num material, como filme; luz atuante.
L. atuante, Fot: V luz ativa. L. baixa, gír: depressão, tristeza, fossa. L. borboleta, Fot: tipo de iluminação usada principalmente para retratos.
Geralmente produz, em volta do nariz, uma sombra que lembra uma borboleta. L. branca: a que apresenta a cor branca, tal como a luz do Sol. L.
coerente: luz que parte do mesmo ponto luminoso da mesma fonte luminosa, de modo que seus raios coincidem em comprimento de onda, fase
de vibração e plano de vibração. L. chave, Fot: feixe de luz que incide diretamente sobre um objeto, produzindo uma sombra que indica a posição
real da luz. L. da fé: conhecimento das doutrinas religiosas. L. da inteligência: luz intelectual, capacidade intelectual, inteligência, razão. L. da vida:
a existência, a vida. L. de atividade, Inform: pequena luz ou LED no painel frontal de um computador ou unidade de disco que indica quando a
unidade de disco está lendo ou gravando dados; indicador de atividade. L. de fundo, Fot: luz difusa destinada a iluminar o fundo da cena. L.
difusa, Fís: a que não resulta de raios de luz diretos e que, por isso, não acusa nitidamente as sombras, como ocorre nos dias nublados. L. do dia:
luz solar. L. dos olhos: a vista. L. elétrica: a) luz produzida por uma corrente elétrica que, passando por um meio resistente, aquece-o até a
incandescência; b) tal luz usada para iluminação. L. estroboscópica, Teat: tipo de iluminação obtido por meio de um sistema de flashes
eletrônicos que se alternam geralmente a intervalos regulares, segundo um padrão previamente programado. L. intelectual: o mesmo que luz da
inteligência. L. invisível: as radiações infravermelha e ultravioleta. L. monocromática: luz de um só comprimento de onda, que portanto não pode
ser decomposta em cores espectrais. L. natural: o mesmo que luz do dia. L. testemunha, Autom: pequena lâmpada adaptada ao painel, que se
mantém acesa automaticamente, quando ocorre algum defeito em sistemas importantes do veículo, como no de lubrificação, no elétrico ou no
arrefecimento. L. traseira, Inform: luz atrás de um monitor de cristal líquido que melhora o contraste dos caracteres na tela permitindo que esta
seja lida mesmo com luz fraca. L. trêmula, Folc: crença milenar de que o fato de o morrão de uma lamparina ou candeia estalar fazendo tremer a
luz, em lugar onde se presume não soprar nem a mais leve brisa, indica mudança de tempo ou constitui recado de mortos aos vivos. À luz do dia:
à vista de todas as pessoas. Ao apagar das luzes: no fim da festa, na última hora. Cola e luz, Reg (Sul e Centro): vantagem oferecida no trato de
uma carreira em cancha reta, e que consiste em que um competidor se compromete a soltar seu parelheiro na cola (atrás do outro) e abrir luz,
no fim do laço, acepção 11. Dar à luz: a) parir; b) publicar uma obra. Luz e pelego, Reg (Centro e Sul): vantagem que consiste em oferecer luz na
chegada, com liberdade de peso para o competidor. Vir à luz: surgir, aparecer.
Assim como no dia a dia, a Física também apresenta uma
natureza bastante ampla para a luz.
No início, a luz estava relacionada ao dia e a noite.
Durante a noite, o fogo era utilizado para iluminação. Assim era
possível concluir que há a necessidade de luz para que se possa enxergar.
Embora se tenha chegado a essa conclusão, tanto a luz
quanto a visão permaneciam inexplicadas.
O que é a luz? De onde ela vem? Como enxergamos?
PITÁGORAS (580 a.C. – 500 a.C.): a luz sai pelos
olhos e toca os objetos.
PLATÃO (428 a.C. – 348 a.C.): a luz tanto sai dos
olhos quanto é emitida ou resvalada pelos objetos.
O encontro dessas duas formas de luz que permite
a visão.
ARISTÓTELES (384 a.C. – 322 a.C.): a luz vem
dos objetos e então entra nos olhos.
A existência dessas diferentes teorias para a visão se baseava
em uma única pergunta:
O QUE E´ A LUZ?
Na Grécia Antiga, havia duas concepções principais para a
natureza da luz:
PITAGÓRICA/PLATÔNICA: a luz é formada por pequenas partículas
(sólidos regulares).
ARISTOTÉLICA: a luz é uma manifestação do meio existente entre o
objeto e os olhos (espécie de onda).
TERRA
AR
Na época muitos filósofos, como Empédocles, Platão e
principalmente Aristóteles, acreditavam que a matéria era constituída
por quatro elementos principais:
´
AGUA
FOGO
Para Platão, a luz seria constituída por partículas de fogo.
LUZ
FOGO
Porém, nem todos os
pensadores concordavam com
a teoria dos quatro elementos
da natureza. Para eles, toda a
matéria seria formada pela
mesma coisa: átomos. Por tal
motivo são conhecidos como
filósofos atomistas.
Leucipo
(480 a.C. – 420 a.C.)
Leucipo e Demócrito
entendiam a luz como uma
espécie de matéria emitida, a
Demócrito
(460 a.C. – 370 a.C.) qual chamaram de simulacro.
Platônicos e Atomistas: luz é formada por partículas.
Porém, Aristóteles discordava!
A Física Aristotélica se baseia no movimento. A luz seria
uma forma de movimento puro, portanto não poderia ser
formada pelas mesmas substâncias que a matéria (terra, fogo,
água e ar).
Dessa forma, a luz foi interpretada como uma
manifestação do meio.
LOGO, O QUE É A LUZ?
A dúvida a respeito da natureza da luz permaneceu em
aberto por milhares de anos, mas isso não impediu o avanço da
Óptica. Uma nova forma de entender a luz foi adotada, e a partir
dessa ideia muitos conhecimentos passaram a ser construídos.
Euclides (325 a.C. - 265 a.C.), eminente
matemático grego, inspirou-se em Aristóteles
para decidir estudar a luz como um raio
luminoso, atribuindo-lhe algumas características
que o conduziram a conclusões utilizadas com
sucesso ainda hoje.
• A luz se propaga em linha reta (raio luminoso);
• Um raio luminoso não possui um sentido preferencial;
• Um raio luminoso, ao cruzar com outro, não influencia em
sua propagação.
Também desenvolveu o importante conceito da
reflexão, inclusive chegando à versão preliminar da Lei da
Reflexão: “o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão”.
a
a
Euclides descreveu a formação de imagens em
diferentes tipos de espelhos e um interessante experimento
realizado com um anel e água, para o qual não obteve
explicação.
Outro cientista que estudou a
formação de imagens em espelhos foi
Arquimedes (287 d.C. – 212 d.C.).
Segundo a lenda, Arquimedes teria
incendiado uma esquadra romana que
pretendia invadir a cidade onde morava,
Siracusa, na Sicília, usando somente
espelhos parabólicos.
Atualmente, o acendimento da chama olímpica segue os
mesmos procedimentos, através de espelhos.
Sêneca (4 a.C – 65 d.C.), poeta
romano, teria utilizado esferas de vidro
preenchidas com água como um objeto
de aumento (protótipo da lupa).
Ainda que não tivessem ciência,
Euclides, com o experimento da moeda, e
Sêneca, com seu objeto de aumento,
estavam lidando com o importante
conceito da refração, descrito por
Claudius Ptolomeu (85 d.C. – 165 d.C.),
mais conhecido por suas contribuições à
Astronomia.
Na época, Ptolomeu descreveu a refração como um
desvio que um raio luminoso sofre em sua trajetória quando
muda seu meio de propagação. Por exemplo, relatava que a luz
proveniente do Sol ou das estrelas, quando entravam na
atmosfera terrestre, sofria tal desvio.
Ptolomeu tomou medidas do ângulo de incidência e do ângulo
de refração para alguns casos, como ar-água, ar-vidro e água-vidro,
buscando uma explicação matemática para a refração relacionando tais
ângulos, contudo não produziu sua descrição.
NORMAL
AR
ÁGUA
i
r
As próximas contribuições fundamentais para a Óptica
Geométrica foram fornecidas cerca de mil anos após Ptolomeu,
pelo físico e matemático iraquiano Abu Ali Hasan Ibn alHaitham, conhecido como Alhazen (965 – 1040).
Foi Alhazen quem elaborou o modelo atual para a visão,
umas das grandes questões da Óptica na Grécia Antiga.
• A luz vem do Sol ou de outras fontes luminosas,
como o fogo, e é refletida por demais objetos;
• A luz emitida ou refletida pelos objetos entra em
nossos olhos e assim conseguimos enxergá-los.
Alhazen elaborou a versão hoje utilizada para a Lei da
Reflexão.
NORMAL
a
a
Também realizou estudos sobre lentes, atribuindo sua
característica de ampliar ou reduzir imagens à sua curvatura.
Alhazen também foi o primeiro a obter imagens com
câmaras escuras, precursoras das câmeras fotográficas,
inicialmente sem lentes.
Não se tem certeza de exatamente quando as lentes
foram inventadas ou adaptadas da natureza, mas há registros de
sua utilização no Oriente Médio, Egito e China, em período
anterior ou contemporâneo à Grécia Antiga, entre 3000 e 2500
anos atrás.
No ocidente, os primeiros óculos surgiram por volta da
década de 1280.
1352
1403
No período da Renascença (século XIV), técnicas de
polimentos de lentes garantiram óculos com melhor qualidade,
o que também permitiu a invenção de instrumentos ópticos
fundamentais ao desenvolvimento da ciência, como o
microscópio e o telescópio.
TELESCÓPIO
CIENTISTA
ESTUDOS
Galileu Galilei
(1564 - 1642)
Crateras lunares, satélites em Júpiter,
manchas na superfície do Sol, ...
Johannes Kepler
(1571 - 1630)
Órbitas planetárias, ...
MICROSCÓPIO
CIENTISTA
ESTUDOS
Robert Hooke
(1635 - 1703)
Células, insetos, folhas...
Anton van Leeuwenhoek
(1632 - 1723)
Bactérias, micro-organismos...
Todos eles construíam e aperfeiçoavam seus instrumentos,
assim não contribuíram apenas para a evolução da Óptica
Geométrica, como também para a formação da própria Ciência.
A ampla utilização das lentes
acompanhou os avanços em torno do
conceito de refração. Em 1621, o físico
holandês Willebrord van Roijen Snell (15911626) propõe a hoje chamada Lei da
Refração, mais conhecida como Lei de Snell,
porém não publicou seus resultados.
O mesmo não fez o filósofo
francês René Descartes (1596 – 1650),
que em 1637 mostrou publicamente o
mesmo resultado, razão pela qual a Lei da
Refração também pode ser chama de Lei
de Snell-Descartes.
Os estudos de Descartes para explicar a refração
estavam intimamente relacionados com uma velha pergunta,
cujas investigações estavam voltando a tona:
O QUE É A LUZ?
Na antiguidade, as especulações em torno da natureza da
luz eram de caráter filosófico, ou seja, não havia o apoio em
bases científicas. Os avanços proporcionados pela Óptica
Geométrica proporcionaram um rol de conhecimentos que
contribuíram inestimavelmente para a investigação da natureza
da luz, agora analisada sob um novo olhar: a Física.
Partículas
Vs.
Ondas
Descartes, para explicar a refração da luz, recorreu ao
seu caráter corpuscular, ou seja, postulou que a luz era formada
por partículas. A luz se deslocaria através de um meio material
chamado éter, que preencheria todo o espaço sideral.
A hipótese de Descartes para a teoria corpuscular da luz
se baseava em sua velocidade. Já era sabido na época que a
velocidade da luz muda quando o meio onde ela se propaga é
alterado.
Por exemplo, a velocidade da luz na água é diferente da
velocidade da luz no ar. É a mudança da velocidade da luz,
quando ela troca de meio, que provoca a refração.
Segundo Descartes, a luz teria velocidade maior em
meios mais densos. Assim, seguindo o exemplo adotado, a
velocidade da luz na água seria maior que a velocidade da luz
no ar.
AR
ÁGUA
A luz seria mais rápida na água do que no ar porque as
partículas formadoras da luz seriam aceleradas pelo contato
com as partículas da água, o que aconteceria com maior
dificuldade em um meio menos denso, como o ar.
Essa colocação foi questionada
por Pierre Fermat (1601 - 1665).
Sendo o primeiro a demonstrar
experimentalmente a Lei da Refração
publicada por Descartes, Fermat
concluiu que meios menos densos
ofereceriam resistência menor que
meios mais densos, dessa forma a
velocidade da luz no ar seria maior.
AR
ÁGUA
Quem tinha uma opinião em
comum com Descartes quanto à natureza
da luz era o físico e matemático inglês
Isaac Newton (1642 – 1727), que tornouse um grande defensor da teoria
corpuscular da luz.
Em 1666, Newton realizou um experimento que
originou a hoje chamada dispersão cromática. Ele direcionou
um feixe de luz branca, vinda do Sol, até um prisma feito de
vidro, o que resultou em um feixe colorido sendo observado do
outro lado do prisma.
Para Newton, a luz seria formada
por pequenas partículas que se combinam
para formar a luz branca.
Por serem diferentes entre si, cada
partícula seguiria um caminho distinto
após sofrer a dupla refração ao atravessar
o prisma, o que resulta em um espectro
com as sete cores do arco-íris.
(vídeo)
Um dispositivo inventado por Newton para confirmar
sua teoria, hoje conhecido como disco de Newton, mostra que a
luz branca é constituída por luzes de sete cores distintas.
Para Newton, a luz também se moveria com velocidade
maior em meios mais densos, como propôs Descartes. Porém,
ao contrário da hipótese cartesiana, admitia a existência do
vácuo.
Em 1665, foi publicado postumamente o livro do físico italiano Francesco
Grimaldi (1618 - 1663). O principal motivo
foi um experimento onde demonstrava um
fenômeno estranho, que ele chamou de
difração.
Grimaldi projetou luz sobre duas folhas que possuíam um
pequeno orifício cada, estando posicionados um atrás do outro.
Seguindo a hipótese de que a luz viaja em linha reta, deveria haver
apenas uma pequena mancha iluminada sobre o anteparo atrás das
folhas, mas isso não era observado.
Newton explicou o experimento de Grimaldi usando a
teoria de que a luz é formada por partículas. Porém foi este
experimento que possibilitou a existência de outra teoria para a
natureza da luz: a ondulatória.
Baseado no experimento de
Grimaldi e em variações do mesmo,
Robert Hooke (1635 – 1703) propôs
que a luz era formada por vibrações
que se propagavam com velocidade
bastante alta. Em outras palavras,
que a luz seria uma onda.
O físico holandês Chistiaan
Huygens (1629 – 1695) aperfeiçoou o
conceito elaborado por Hooke,
adicionando que a luz seria uma onda
longitudinal, que se propaga na mesma
direção de seu deslocamento.
Com
Comessa
essateoria,
teoria,Huygens
Huygensconseguiu
conseguiuexplicar
explicaraareflexão,
reflexão,
aa difração
difração do
do experimento
experimento de
de Grimaldi
Grimaldi ee aa refração
refração de
de SnellSnellDescartes,
Descartes,indo
indoao
aoencontro
encontroda
dahipótese
hipótesede
deFermat
Fermatde
deque
queaaluz
luz
se
se moveria
moveria com
com velocidade
velocidade maior
maior em
em meios
meios menos
menos densos
densos
(velocidade
(velocidademaior
maiorno
noar
ardo
doque
quena
naágua).
água).
Newton
Vs.
Huygens
Partículas Vs. Ondas
Vácuo Vs. Éter
Newton
A luz é formada por partículas e o vácuo existe.
O Experimento de Young (1801)
O físico Inglês Thomas Young (1773 – 1829) realizava
experimentos com ondas sonoras e ondas produzidas na água.
Seu interesse estava no fenômeno da interferência,
observado quando um pulso de ondas atravessava duas fendas
feitas em um anteparo. Young constatou que tais ondas
interagiam causando seu reforço ou sua destruição.
Significado do Cotidiano
Young decidiu fazer o mesmo experimento
utilizando um feixe de luz, baseado na teoria
ondulatória.
Confirmando sua hipótese, Young
observou um padrão de interferência para a luz. A
partir de seus resultados conseguiu obter um dado
importantíssimo: o comprimento de onda da luz
visível (assim como para cada cor).
Também foi Young que elaborou a chamada Teoria das
Cores, na qual atesta que a fisiologia dos olhos não possui
mecanismos para enxergar isoladamente cada cor, mas somente
três estruturas, sensíveis ao violeta, ao verde e ao vermelho.
Essa teoria foi aperfeiçoada posteriormente pelo alemão
Hermann von Helmholtz, na qual as três cores definidas foram o
azul, o verde e o vermelho.
Em 1803, Young divulgou seus resultados sobre a
interferência luminosa, o que gerou certa polêmica na época, já
que a teoria corpuscular da luz era amplamente aceita,
principalmente devido ao prestígio de Newton.
O resultado também repercutiu na França, principalmente
entre físicos partidários da teoria corpuscular da luz, como
François Arago (1786 – 1853).
Pouco tempo depois Arago se convence dos achados de
Young e os indica ao também físico Augustin-Jean Fresnel (1788 –
1927).
Fresnel se dedicou a realização de
experimentos sobre a natureza ondulatória
da luz, principalmente sobre difração, assim
conseguiu aperfeiçoar os resultados de
Huygens para o experimento de Grimaldi.
Após Fresnel apresentar seus estudos à comunidade
científica francesa, o debate acerca da natureza da luz foi
retomado.
A hipótese ondulatória, apesar de ganhar mais
evidências, ainda não era totalmente aceita devido um último
ponto: o meio de propagação da luz.
Fresnel, baseado na concepção de Huygens, defendia a a
existência do éter, pois o comportamento comum a todas as
ondas era o de propagar-se em um meio material.
Em 1865, o físico inglês James
Clerk Maxwell (1831 – 1879)
demonstrou matematicamente uma
importantíssima hipótese para a
natureza da luz: que ela se tratava de
uma onda eletromagnética.
Dessa
forma,
Maxwell
conseguiu
unificar
Óptica
com
Eletricidade e Magnetismo.
Ondas eletromagnéticas são
produzidas pela movimentação de
cargas elétricas. São compostas tanto
por um campo elétrico quanto por
um campo magnético, estando um
perpendicular ao outro.
A teoria de Maxwell também podia predizer
teoricamente qual a velocidade da luz, cujo resultado entrava
concordava com as medidas obtidas experimentalmente por
Fizeau (1849) e Foucault (1850).
Ambos também mediram a velocidade da luz na água e
no ar, constatando que a velocidade no ar era maior, o que
alicerçava a teoria ondulatória.
Mesmo possuindo este resultado poderoso em mãos,
Maxwell não abriu mão da hipótese do éter, que para ele
continuava sendo necessário para a propagação da luz.
A motivação para Maxwell desenvolver sua teoria estava
justamente na existência do éter, embora, no final das contas, ela
tenha atestado que essa forma de matéria não deveria existir.
A partir de 1881, o físico alemão
Albert Michelson (1852 – 1931) e o
químico estadunidense Edward Willian
Morley (1838 – 1923) começaram a
desenvolver experimentos para detectar
a existência do éter, culminando com o
experimento de 1887.
(vídeos)
Significado do Cotidiano
Resultado: o éter não foi detectado pelo experimento...
Então, como poderia a luz ser uma onda se o meio de
propagação necessário teoricamente não existiria?
Em 1887 (mesmo ano do
experimento de Michelson-Morley), o
físico alemão Heinrich Hertz (1857 –
1894) conseguiu detectar experimentalmente ondas eletromagnéticas
pela primeira vez, corroborando a
teoria eletromagnética de Maxwell.
Dessa forma, no final do século XIX, foi adotado o
consenso de que a luz é uma onda eletromagnética, com
velocidade finita e definida e que não necessita de um meio
material para se propagar.
FIM?
´
POREM...
Durante seus estudos com ondas eletromagnéticas,
Hertz se deparou com um fato curioso...
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BASSALO, J.M.F (1986). A Crônica da Ótica Clássica. Caderno
Catarinense de Ensino de Física. v. 3, n. 3, p. 138-159, dez.
Florianópolis.
BASSALO, J.M.F (1987). A Crônica da Óptica Clássica. Caderno
Catarinense de Ensino de Física. v. 4, n. 3, p. 140-150, dez.
Florianópolis.
BASSALO, J.M.F (1989). A Crônica da Ótica Clássica (Parte III: 18011905). Caderno Catarinense de Ensino de Física. v. 6, n. 1,
37-58, abr. Florianópolis.
CARUSO, F.; OGURI, V. (2006). Física Moderna – Origens Clássicas
e Fundamentos Quânticos. Campus. Rio de Janeiro.
CARVALHO, S.H.M. de (2005). Einstein – Uma Luz sobre a Luz.
Disponível em <fisica.cdcc.usp.br/Professores/Einstein-S
HMCarvalho/index.html>. Acessado em 18 fev 2012.
HEWITT, P.G. (2009). Fundamentos de Física Conceitual. Bookman.
Porto Alegre.
MÁXIMO, A.; ALVARENGA, B. (2009). Física: Volume 2. Scipione.
São Paulo.
MOREIRA, M.A. (2011). Teorias de Aprendizagem (2ª edição).
E.P.U. São Paulo.
CRÉDITOS DAS IMAGENS E ANIMAÇÕES
A numeração seguida de cada fonte se refere à ordem de
apresentação do slide e as imagens nele contidas.
• Autor: slides 11, 18, 26, 27, 32, 33, 36, 50, 53, 60, 61, 64
(animação), 72.
• Google Earth: slides 69.
• Wikipedia: slides 02, 07, 12, 15, 20, 25, 29, 30, 31, 35, 37, 39,
42, 43, 52, 54, 55, 56, 57, 59, 63, 64 (gravura), 65, 70, 71, 75,
78, 79, 82, 83, 85.

similar documents