O ser humano sempre foi
fascinado pela luz. Espelhos simples são encontrados em sítios arqueológicos
antigos estendendo-se do Egito até a China. Nossos ancestrais aprenderam por
volta de 1500 anos A.C. a fazer fogueiras ao focalizar a luz do Sol usando
lentes rudimentares. Daí, é só um pequeno passo até conseguirmos fazer
perfurações com feixes a laser.
Para começarmos a
contemplar o conteúdo básico por trás da imensidão que a luz nos proporciona, precisamos
entender os princípios e os fenômenos que envolvem a Óptica
Geométrica e o estudo de Espelhos Planos.
O Modelo de Raios Luminosos
Um holofote produz um
facho de luz que corta a escuridão do céu. Raios de Sol penetram numa sala
mal iluminada através da fresta na janela. Nossa experiência
cotidiana de que a luz viaja em linha reta é a base do modelo
de raios luminosos da luz, que, apesar de ser uma simplificação da
realidade, é um pressuposto bem útil em seu domínio de validade,
caracterizando a Óptica Geométrica.
Conceitos Básicos
- Luz: onda eletromagnética que se propaga no vácuo e em alguns meios materiais. Velocidade da luz no vácuo: c = 300.000km/s.
- Raio de luz: segmento de reta orientado no sentido da propagação.
- Fontes primárias: corpos que emitem luz própria. Ex.: Sol.
- Fontes secundárias: corpos que refletem a luz emitida pelas fontes primárias. Ex.: Lua.
Meios de Propagação da Luz
- Meio transparente: propagação regular da luz; observador vê objeto com nitidez.
- Meio translúcido: propagação irregular da luz; observador vê objeto sem nitidez.
- Meio opaco: não permite a propagação de luz; ex.: a pele humana.
Princípios da Óptica Geométrica
A luz, durante sua propagação, obedece a uma série
de princípios:
- Princípio da Propagação Retilínea dos Raios Luminosos: em meios homogêneos e transparentes, a luz se propaga em linha reta.
- Princípio da Independência dos Raios Luminosos: quando dois raios de luz ou feixes de luz se cruzam, continuam suas trajetórias individualmente. Um raio não interfere na trajetória de outro.
- Princípio da Reversibilidade dos Raios Luminosos: o caminho seguido por um raio de luz independe do sentido de propagação.
Sombra e Penumbra
Quando um obstáculo opaco é colocado entre uma
fonte de luz e um anteparo, é possível delimitar regiões de sombra e penumbra.
Se pensarmos em uma fonte de luz pontual,
essas regiões recebem o nome de SOMBRA ou UMBRA.
Agora, se pensarmos em
uma fonte extensa ou várias fontes pontuais, teremos duas regiões distintas. A
região que não recebe luz de região alguma é chamada de sombra, mas a região
parcialmente iluminada – que recebe luz da fonte extensa ou de alguma das
fontes pontuais – é chamada de PENUMBRA.
A Cor de um Corpo
Ao realizar experimentos
com a luz solar no século XVII, Isaac Newton verificou que ela dava origem a
feixes de luz coloridos quando atravessava um prisma, correspondentes às cores
do arco-íris. Dispondo de outro prisma, verificou também que era capaz de
recombinar as luzes, fazendo luz solar emanar do prisma, o que chamou
de luz branca.
Um feixe de luz é
chamado de monocromático se for
formado por apenas uma das cores do espectro
eletromagnético (vermelho, amarelo, alaranjado, verde,
azul, anil e violeta), como acontece em um laser. Falaremos do espectro
eletromagnético e a teoria ondulatória em outro momento. Ao contrário, um feixe
de luz é chamado de policromático quando
é formado por várias cores, como é o caso da luz branca.
A cor de um corpo
iluminado é determinada pela constituição da luz que ele reflete difusamente.
Se, por exemplo, um corpo iluminado com luz branca refletir a luz verde e
absorver as demais, este corpo terá cor verde; quando iluminado com luz branca,
absorvendo-a totalmente, terá cor preta.
Se iluminarmos um corpo
de cor verde com luz monocromática vermelha, ele nos parecerá preto, pois
absorve a luz vermelha, não enviando nada aos nossos olhos.
Reflexão
A reflexão da luz é algo
bem familiar pra todo mundo. Você vê seu reflexo no espelho plano do banheiro
todo dia de manhã, por exemplo. A reflexão de raios luminosos que incidem em
superfícies planas e polidas, como um espelho plano, é chamada de reflexão
especular, de speculum, palavra do Latim para “espelho”.
A lei da reflexão afirma que:
- O raio incidente e o raio refletido estão no mesmo plano perpendicular à superfície;
- O ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência: θI = θR
Para superfícies
“ásperas”, as irregularidades fazem com que os raios refletidos saiam em
direções aleatórias. Essa situação, mostrada abaixo, é conhecida como reflexão
difusa.
Espelhos Planos
Ao colocarmos uma fonte
luminosa em frente a um espelho plano, o que acontecerá com a luz refletida e
qual tipo de imagem obteremos?
Ora, os raios que saem
da fonte são refletidos no espelho plano e chegam aos nossos olhos formando a
imagem. Mas, por outro lado, nossos olhos interpretam como se a imagem
estivesse vindo de dentro do espelho, daí o nome de imagem
virtual.
Note também que
a distância entre o objeto e o espelho é igual à distância entre imagem e
espelho. Por isso, dizemos que a imagem é simétrica. Logo, não precisamos
traçar vários raios para descobrir onde está a imagem: basta traçar uma
reta saindo do objeto, perpendicular ao plano do espelho. A imagem está em um
ponto dessa reta, atrás do espelho e na mesma distância.
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