2º Semestre de 2018 Prof. Ismael André Heisler · L. chave, Fot: feixe de luz que incide...

CF082 - Óptica Moderna2º Semestre de 2018

Prof. Ismael André Heisler

Aula 1 – Revisão Histórica

A óptica é o ramo da Física que

estuda a propagação da luz e sua

interação com a matéria.

LUZ

SIGNIFICADO COTIDIANO

≠SIGNIFICADO FÍSICO

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.

Significado físico: luz é radiação eletromagnético numa região

espectral específica.

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.

Grécia Antiga

Na época alguns filósofos, como Empédocles, Platão e principalmente

Aristóteles, acreditavam que a matéria era constituída por quatro

elementos principais:

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 e Demócritoentendiam a luz como umaespécie de matéria emitida, aqual chamaram de simulacro.

Leucipo

(480 a.C. – 420 a.C.)

Demócrito

(460 a.C. – 370 a.C.)

Assim na Grécia Antiga, haviam 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.

Euclides (325 a.C. - 265 a.C.), eminente

matemático grego, inspirado pelas ideias de

Aristóteles, propõe que a luz se comporta como

um raio luminoso, atribuindo-lhe algumas

características que o conduziram a conclusões

utilizadas com sucesso ainda hoje. Escreveu o

livro Optica (295 a. C.)

Óptica Geométrica

• 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.

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.

Contribuição de grande importância foi

dada por Claudius Ptolomeu (85 d.C. –

165 d.C.), mais conhecido por suas

contribuições à Astronomia.

O Conceito de Refração

Ptolomeu examinou a refração na interface entre o ar e a água, entre o vidro e

o ar e entre o vidro e a água. Os números de Ptolomeu estavam bastante errados, e sua

suposição era de que, para ângulos pequenos, o ângulo de incidência é proporcional ao

ângulo de refração.

Ele 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.

AR

ÁGUA

NORMAL

i

r

Nenhum avanço significativo

Foi o árabe 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.

Idade de Ouro Islâmica e Renascença

Abu Ali Hasan Ibn al-Haitham, conhecido como Alhazen (965

– 1040).

Alhazen elaborou a versão hoje utilizada para a Lei da

Reflexão.

Também realizou estudos sobre lentes, atribuindo sua

característica de ampliar ou reduzir imagens à sua curvatura.

a a

NORMAL

Alhazen também foi o primeiro a obter imagens com

câmaras escuras, precursoras das câmeras fotográficas,

inicialmente sem lentes.

Leonardo da Vinci (1452 - 1519) descreve o seu funcionamento

14031352

É difícil precisar 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.

Lentes

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.

Hans Lippershey

(1570 - 1619)

É creditado a criação dos primeiros

telescópios práticos. Telescópios

rudimentares podem ter sido criados

antes, mas acredita-se que Lippershey

foi o primeiro a desenvolve-los de forma

semelhante a que conhecemos hoje.

Telescópios e Microscópios

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.

MICROSCÓPIO

CIENTISTA ESTUDOS

Robert Hooke

(1635 - 1703) Células, insetos, folhas...

Anton van Leeuwenhoek

(1632 - 1723) Bactérias, micro-organismos...

TELESCÓPIO

CIENTISTA ESTUDOS

Galileu Galilei

(1564 - 1642)

Crateras lunares, satélites em Júpiter,

manchas na superfície do Sol, ...

Johannes Kepler

(1571 - 1630)Órbitas planetárias, ...

A ampla utilização das lentes

acompanhou os avanços em torno do conceito

de refração. Em 1621, o físico holandês

Willebrord van Roijen Snell (1591-1626)

descobre empiricamente a hoje chamada Lei

de Snell.

O detalhe é que ele não publicou seus

resultados.

Este talvez seja o resultado mais importante em óptica na idade

média (renascença)

Ibn Sahl (940–1000)

Abū Saʿd al‐ʿAlāʾ ibn

Sahl

Cientista árabe, persa

!

O francês René Descartes (1596 – 1650),

em 1637 tornou público o mesmo

resultado, razão pela qual a Lei da

Refração deveria de ser chamada de

Lei de Snell-Descartes.

Os estudos de Descartes (e outros) para explicar a

refração estavam intimamente relacionados com uma velha

pergunta, cujas investigações estavam voltando a tona:

O QUE É A LUZ?

Óptica Física: a ciência da luz (Séculos 17 e 18)

Na antiguidade, as especulações em torno da natureza da luz eram

de caráter filosófico sem base matemática ou científica.

Esta base matemática começou a ser construída como visto nos

avanços proporcionados pela Óptica Geométrica

A natureza da luz, passa agora a ser analisada sob um novo olhar:

a Física.

Partículas

X

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, a velocidade da luz na água seria maior que a velocidade

da luz no ar.

ÁGUA

AR

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).

Fermat derivou Lei da Refração usando o

princípio do tempo mínimo

o caminho percorrido entre dois pontos por um

raio de luz é aquele que pode

ser percorrido no menor tempo possível

Segundo ele (divergindo de Descartes) meios

mais densos ofereceriam resistência maior que

meios menos densos, dessa forma a velocidade

da luz no ar seria menor.

ÁGUA

AR

Quem tinha uma opinião em

comum com Descartes quanto à natureza

da luz era o físico e matemático inglês

Isaac Newton (1642 – 1727), que tornou-

se 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.

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.

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.

Newton propunha que a luz branca era composta de uma mistura de

toda uma gama de cores independentes. A sua hipótese era que os

corpúsculos de luz associados as várias cores excitavam vibrações

características no éter

Vermelho – vibrações longas

Azul – vibrações curtas

Em 1665, foi publicado postuma-

mente 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.

Surge um grande problema:

A 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 tentou de qualquer jeito explicar o experimento

de Grimaldi usando a teoria de que a luz é formada por

partículas. Porém este experimento era evidência da necessidade

de uma teoria ondulatória para a natureza da luz.

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.

O princípio de Huygens

A lei da refração

l1

l2

a d

l1

l2

e

q1

q2

q1

q2

b

n1

n2

Com essa teoria, Huygens conseguiu explicar a reflexão,

a difração do experimento de Grimaldi e a refração de Snell-

Descartes, indo ao encontro da hipótese de Fermat de que a luz

se moveria com velocidade maior em meios menos densos

(velocidade maior no ar do que na água).

Com essa teoria, Huygens conseguiu explicar a reflexão,

a difração do experimento de Grimaldi e a refração de Snell-

Descartes, indo ao encontro da hipótese de Fermat de que a luz

se moveria com velocidade maior em meios menos densos

(velocidade maior no ar do que na água).

NewtonVs.

HuygensPartículas Vs. Ondas

Vácuo Vs. Éter

NewtonA luz é formada por partículas e o vácuo existe.

HuygensA luz é formada por ondas e o éter 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.

Século 19 – Ressurgimento

da Teoria Ondulatória

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 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.

Consegue fazer uma formulação matemática

dos princípios de Huygens e da interferência

Após Fresnel apresentar seus estudos à comunidade

científica francesa, o debate acerca da natureza da luz foi

retomado.

Poisson eminente membro da

Academia Francesa, revisou o

trabalho de Fresnel. Ele usou a

teoria de Fresnel para predizer que

uma mancha brilhante deveria

aparecer no centro da sombra de

um pequeno disco, e deduziu disso

que a teoria estava incorreta.

No entanto, Arago, outro membro

do comitê, realizou o experimento

e mostrou que a previsão estava

correta. !

Essa foi uma das investigações

que levou à vitória da teoria da luz

sobre a teoria corpuscular

predominante na época.

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.

A hipótese ondulatória, apesar de ganhar mais evidências,

ainda não era totalmente aceita devido um último ponto:

o meio de propagação da luz.

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.

2

0

10

BE E

t

EB B

c t

22

2 2

10

EE

c t

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.

𝑐 =1

𝜇0𝜀0

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.

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 experi-

mentalmente 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?

Resumo

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:

1801- 1905). 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.

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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 deapresentação 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.