A natureza da luz

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1. Histórico2. A velocidade da luz3. Aspectos ondulatórios da luz

O que é uma onda, ondas transversais e longitudinais A onda eletromagnética, velocidade, comprimento de onda O espectro eletromagnético Difração e interferência, a aproximação da ótica geométrica

4. Refração e reflexão Lei de Snell, Dispersão, reflexão interna total, miragens Princípio de Huygens & Lei de Snell

5. Polarização6. Espalhamento

Parte I - A NATUREZA DA LUZ

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1. Histórico

Egito: espelhos de metal polidos Grécia

estudos de Platão, Aristóteles, Demócrito e Pitágoras Euclides, 300 AC, enunciado da Lei da Reflexão,

estudos da refração, uso de vidros queimadores 1000 DC- Alhazen

Tratado sobre espelhos esféricos e parabolicos, descrição do olho humano

Final do século 13, tradução para o latim Século 13- Alquimistas produzem películas finas

que podem ser depositadas sobre o vidro para produzir espelhos

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1. Histórico

Século 17 1608- patente do telescópio solicitada por um

holândes Galileu faz observações astronômicas com seu

próprio instrumento (luneta refratora) Zacharias Jansen inventa o microscópio composto Kepler (1611) – reflexão interna total, lei de refração

para pequenos ângulos 1621- Lei de Snell, 1657 – Fermat – dedução da lei de refração usando o

princípio de tempo mínimo Francisco Grimaldi, e Robert Hook, relatos do

fenômeno de difração da luz

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1. Histórico

1672- Modelo corpuscular “luz é constituída de um

feixe de partículas” Usando as leis da mecânica

– refração e reflexão

Newton (1642- 1727)

5

1. Histórico

Descreve a decomposição da luz ao atravessar um prisma (dispersão)

1630 – constrói telescópios refletores para eliminar aberração cromática

Newton (1642- 1727)

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1. Histórico

Modelo ondulatório Deduz corretamente as

leis de refração e refração

Descobre a dupla refração na calcita

Explica outros fenômenos óticos; difração e interferência que não podiam ser explicados pelo modelo corpuscular

Christian Huygens

(1629-1695)

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2. A natureza da luz

Difração e interferência

Thomas Young

(1773-1829)

8

2. A Velocidade da Luz

Primeira estimativa – 1676 Olaf Roemer eclipse de Io, lua de Júpiter Período de revolução de Io;

42,5h Período de revolução de Jupíter

12 anos terrestres Revolução de180o da Terra=15o

de Jupíter c≈ 2,1x108 m/s

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2. A Velocidade da Luz

Método de Fizeau Mais preciso, usando uma

roda dentada C=3,1x108 m/s

Teoria do eletromagnetismo Previsão da existência de

ondas eletromagnéticas Propagação no vácuo, com

velocidade igual a velocidade da luz no vácuo

Hertz - 1887 oito anos após a morte de

Maxwell, comprovação da existência de ondas eletromagnéticas usando um circuito oscilante

James Clark Maxwell

1831-1879

00

1

µε=c

10

2. A velocidade da luz

Problemas O que é o vácuo? Como a luz pode se propagar no vácuo?

Teoria do éter Fluido que preenche todo o espaço “vazio” no universo Propriedades mecânicas contraditórias

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2. A velocidade da luz

Experiência de Michelson- Morley A velocidade da luz não

depende do movimento do observador?!

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2. A velocidade da luz

Mais problemas!!

e-e-

Efeito fotoelétrico

luz

Baseado no Trabalho de Planck(1900)Einstein, 1905- luz é composta por fótons, transportando energia E=hν

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Veleiro solar

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Solarsail_msfc.jpg

NASA study of a solar sail. The sail would be half a kilometre wide.

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Veleiro solar

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Nano_Sail_D.jpg

A team from the NASA Marshall Space Flight Center (Marshall), along with a team from the NASA Ames Research Center, developed a solar sail mission called NanoSail-D which was lost in a launch failure aboard a Falcon 1 rocket on 3 August 2008.

The NanoSail-D structure was made of aluminum and plastic, with the spacecraft massing less than 10 pounds (4.5 kg). The sail has about 100 square feet (9.3 m2) of light-catching surface.

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2. A velocidade da luz

Qual é o modelo para a luz? Mecânica quântica- onda e partícula Experimentalmente verificamos ora a natureza

natureza ondulatória, ora a natureza corpuscular, mas nunca as duas simultâneamente.

Princípio da Relatividade A velocidade da luz é constante, independente do

referencial, c=3x108 m/s.

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3 . Aspectos Ondulatórios da luz3 . Aspectos Ondulatórios da luz

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Ondas

3. Aspectos ondulatórios da luz

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Onda longitudinal

Onda sonora

Onda mecânica em uma mola

3. Aspectos ondulatórios da luz

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Onda transversal

Propagação de uma perturbação, sem transporte de matéria

Na foto: a pequena bolinha presa à mola, oscila apenas verticalmente, enquanto a onda se propaga para a direita.

Não há deslocamento na direção de propagação da onda

3. Aspectos ondulatórios da luz

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Princípio de Superposição

3. Aspectos ondulatórios da luz

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Frentes de onda

circulares

retas

3. Aspectos ondulatórios da luz

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Frentes de onda e raios de luz

esféricas

planas

Os raios de luz, indicados pelas setas, são perpendiculares à superfície da frente de onda e indicam a direção de propagação da onda.

3. Aspectos ondulatórios da luz

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Onda senoidal

v= λf

00

1

µε=c

Amplitude

Comprimento de onda

λv

Onda eletromagnética no vácuo

v=c

3. Aspectos ondulatórios da luz

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Onda eletromagnética

3. Aspectos ondulatórios da luz

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O espectro eletromagnético

f = 8,35 x 1014 Hz λ= 3,6 x 10-7 m

f = 3,85 x 1014 Hzλ= 7,8 x 10-7 m

3. Aspectos ondulatórios da luz

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O espectro eletromagnético

Não tem limites definidos e nem lacunas.

curtolongo

molécula de águaproteínavírusbactériacélula

bola de baseballcasa

campo defutebol

comp. de onda(em metros)

tam. de umcomp. de onda

nome comum da onda

fontes

freqüência(Hz)

energia deum fóton (eV)

baixa alta

ondas de rádio

micro-ondas

infravermelho ultravioletavisívelraios-x “duros”

raios-x “moles” raios gama

cavidade rf

fornomicro-ondas pessoas lâmpadas máq. de

raios-x

elementos radiativos

rádio FM

rádio AMradar

ALS

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Algumas regiões conhecidas

Espectro de Radiação Eletromagnética

Região Comp. Onda(Angstroms)

Comp. Onda(centímetros)

Freqüência (Hz)

Energia (eV)

Rádio > 109 > 10 < 3 x 109 < 10-5

Micro-ondas 109 - 106 10 - 0.01 3 x 109 - 3 x 1012 10-5 - 0.01

Infra-vermelho 106 - 7000 0.01 - 7 x 10-5 3 x 1012 - 4.3 x 1014 0.01 - 2

Visível 7000 - 4000 7 x 10-5 - 4 x 10-5 4.3 x 1014 - 7.5 x 1014 2 - 3

Ultravioleta 4000 - 10 4 x 10-5 - 10-7 7.5 x 1014 - 3 x 1017 3 - 103

Raios-X 10 - 0.1 10-7 - 10-9 3 x 1017 - 3 x 1019 103 - 105

Raios Gama < 0.1 < 10-9 > 3 x 1019 > 105

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Luz do sol

29

Sensibilidade do olho humano

Diferente para ambientes iluminados e não-iluminados

comprimento de onda (nm)

se

ns

ibil

ida

de

re

lati

va

adaptadoà luz

adaptadoao escuro

30

34.7 Reflexão e Refração

objeto

furo

imagem

Propagação retilínea óptica geométrica(meio isotrópico)

31

34.1 O Arco-íris de Maxwell

1831-1879

James Clerk Maxwell:- raio luminoso = onda eletromagnética- óptica (luz visível) = ramo do eletrom.

Meados do séc. XIX:- espectro = UV-Vis + IR

Heinrich Hertz:- gerou ondas de rádio- velocidade = velocidade da luz visível

Heinrich Hertz

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Reflexão e Refração

Na interface entre dois meios.

raioincidente

raiorefletido

raiorefratado

raioincidente

raiorefletido

raiorefratado

Ar

Vidro

33

Reflexão e Refração

34

Lei da reflexão

Raio refletido no plano de incidência

35

Refração

36

Lei da refração

(lei de Snell)

Índices de refração

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Resultados básicos

θ1

θ2

θ2

θ2

θ1

θ1

normal

normal

normal

n1

n1

n1

n2

n2

n2

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Índice de refração

Material Índice de Refração* ar 1,0003diamante 2,419sílica fundida 1,458quartzo 1,418flint leve 1,655

*para 589,29 nm

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Dispersão cromática

Comp. de onda (nm)

Índi

ce d

e re

fraç

ão,

n Vidro crown

acrílico

Quartzo fundido

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Lei de Snell e dispersão

θ1

normal

n1

n2

θ1

normal

n1

n2

41

Num prisma

42

Arco-íris

43

34.8 Reflexão interna total

44

Reflexão interna total

quando

1

45

Fibras ópticas

46

Exercícios e Problemas

5. Na figura abaixo, um raio luminoso penetra em uma placa de vidro no ponto A e sofre reflexão interna total no ponto B. Qual o menor valor do índice de refração do vidro que é compatível com esta situação?

vidro

Ar

A

B

45,0o

48

Ondas de rádio

49

Ondas de rádio

50

Pressão da Radiação Eletromagnética

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Ondas luminosas e raios X

52

laser

53

Raios X

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Difração

λ<<d λ ≈d

λ>>d

Aproximação da ótica geométrica

Aberturas grandes; ⇒ d>>λ

Não se considera a difração !

3. Aspectos ondulatórios da luz

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Interferência

3. Aspectos ondulatórios da luz

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Referências

www.lightandmatter.com http://educar.sc.usp.br/otica/ http://www.glenbrook.k12.il.us/GBSSCI/PHYS/CLASS/

BBoard.html R. A . Serway, Física 3 para Cientistas e Engenheiros, 3ª.

Edição. Editora Livros Técnicos e Científicos, (1996). Capítulo 35

Sears e Zemansky- Física IV- Ótica e Física Moderna, 10ª. Ed., Addison Wesley (2004). Capítulo 34