[Prof. Andrea Bianchi] Aula04

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FIS 133 - Física IV – Turma 64
Aula 04 – 24/08/2010
Profa. Andrea G. Campos Bianchi
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Natureza e Propagação da Luz
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Onda Eletromagnética: LUZ
Natureza Corpuscular: a energia transportada pela onda luminosa é concentrada em pacotes discretos conhecidos como fótons ou quanta.
Refração;
Reflexão.
Natureza Ondulatória: a radiação luminosa possui comportamento ondulatório
Interferência;
Difração;
Espalhamento.
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Óptica
Ramos da Óptica
Óptica Geométrica
	Descrição dos fenómenos ópticos que ocorrem em sistemas com componentes de dimensões superiores aos comprimentos de onda da radiação;
Óptica Física
	Em sistemas com dimensões menores ou iguais ao comprimento de onda da radiação não podemos ignorar a natureza ondulatória da luz;
Óptica Não-linear
	Ocorre em situações de elevada irradiância, nomeadamente com lasers, que originam uma resposta não linear do meio ao campo electromagnético;
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Óptica
Ramos da Óptica
Óptica Geométrica
	Descrição dos fenómenos ópticos que ocorrem em sistemas com componentes de dimensões superiores aos comprimentos de onda da radiação
Óptica Física
	Em sistemas com dimensões menores ou iguais ao comprimento de onda da radiação não podemos ignorar a natureza ondulatória da luz
Óptica Não-linear
	Ocorre em situações de elevada irradiância, nomeadamente com lasers, que originam uma resposta não linear do meio ao campo electromagnético deixando de se verificar do princípio da sobreposição
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Óptica Geométrica
Ramos da Óptica
Óptica Geométrica
	Descrição dos fenómenos ópticos que ocorrem em sistemas com componentes de dimensões superiores aos comprimentos de onda da radiação
Espelhos, lentes, aberturas, etc
Raio Óptico – 	Linha reta ao longo da qual se considera que a energia luminosa é transmitida de um ponto para outro num meio.
Num meio homogéneo e isotrópico, os raios são linhas retas
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Óptica Geométrica
Raio Óptico – 	Linha reta ao longo da qual se considera que a energia luminosa é transmitida de um ponto para outro num meio.
A velocidade de propagação de uma onda depende do meio.
Quando uma onda incide num dióptro (interface entre dois meios diferentes) ocorre uma variação da velocidade de propagação que dá origem a fenómenos de reflexão e de refracção.
Num meio homogéneo e isotrópico, os raios são linhas retas
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Óptica Geométrica
Natureza Corpuscular
Refração;
Reflexão.
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Óptica Geométrica
Princípio do tempo mínimo de Fermat
A luz propaga-se de um ponto para outro seguindo um trajeto que minimiza o tempo do percurso, mesmo que para tal ela tenha de desviar-se da reta que passa por esses pontos.
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Óptica Geométrica
Reflexão: a reflexão ocorre quando a luz incide sobre a superfície de separação 
Entre dois meios com propriedades distintas. A reflexibilidade é a tendência dos 
raios de voltarem para o mesmo meio de onde vieram. 
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Óptica Geométrica
Índice de Refração (n): é definido como a razão entre a velocidade da luz no vácuo (c) no vácuo e a velocidade da luz no material (v). 
 A luz sempre se propaga mais lentamente
através de um material do que no vácuo.
 O valor de n em qualquer meio material
é maior que 1.
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Óptica Geométrica
Reflexão
 Primeira lei 
O plano de incidência coincide com o plano de reflexão. Dito de outra forma essa lei estabelece que "O raio de incidência a reta normal e o raio refletido estão emitidos no mesmo plano." 
 Segunda lei 
O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.
Na verdade essas duas leis, essencialmente empíricas, podem ser entendidas a partir da natureza corpuscular da luz. De fato, podemos pensar na reflexão como resultado de colisão dos fótons com a superfície de separação entre dois meios. É algo parecido com a colisão de uma bola de tênis (ou outra bola) 
com uma parede. O fenômeno da colisão da bola com a parede obedece as mesmas leis da reflexão da luz (e vice-versa). 
Θi= Θr
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Óptica Geométrica
Reflexão
mas, num meio homogéneo
1ª Lei da Reflexão
l-x
x
d
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Óptica Geométrica
Reflexão
1ª Lei da Reflexão
2ª Lei da Reflexão – o raio incidente, o raio reflectido e a normal à superfície no ponto de incidência situam-se num mesmo plano (plano de incidência).
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Óptica Geométrica
Refração: uma mudança da direção das ondas, devido a entrada em outro meio.
A velocidade da onda varia, e o comprimento de onda também varia, 
mas a frequência permanece sempre igual, pois é característica da fonte emissora. 
Índice de Refração: É uma das 
grandezas físicas que caracterizam 
o meio (a densidade, por exemplo, 
é uma outra grandeza física que 
caracteriza um meio). 
c=nv
n=c/v
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Óptica Geométrica
Refração
Primeira Lei
A primeira lei de refração estabelece que o raio incidente, o raio 
refratado e a normal pertencem a um mesmo plano. 
Segunda Lei
Numa refração, o produto do índice de refração do meio no qual ele 
se propaga pelo seno do ângulo que o raio luminoso faz com a normal é constante. 
                                                   . 
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Óptica Geométrica
Refração
d’
Lei de Snell para a refracção 
Também aqui os raios incidente, refratado e a normal se situam num mesmo plano
d
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Óptica Geométrica
Refração
índice de refracção do meio 1 em relação ao meio 2
Lei de Snell para a refracção 
Também aqui os raios incidente, refractado e a normal se situam num mesmo plano
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Óptica Geométrica
                                                   . 
Se a incidência for oblíqua então o raio luminoso se aproximaria mais da normal
 naquele meio que for mais refringente (isto é, aquele meio que tiver o maior índice
 de refração). O meio com menor índice de refração é, por outro lado, aquele no
 qual a luz se propaga mais rápido. 
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Óptica Geométrica
Reflexão
se:
existe sempre feixe refractado
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Óptica Geométrica
Reflexão Interna Total
Logo, n1 /n2 >1 então o raio se afasta da normal
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Óptica Geométrica
Reflexão Interna Total
Deve existir algum valor de 1 menor do que 90º para o qual a Lei de Snell forneça
Não existe feixe refratado
Reflexão Interna Total
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Aplicação: Fibra Óptica
 Uma barra transparente cujo índice de refração é maior do que o índice de refração do material em seu exterior.
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Aplicação
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Óptica Geométrica
Princípio da Reversibilidade
Num sistema óptico arbitrário , um raio de luz percorre a mesma trajetória quando o seu sentido de propagação é invertido
Deriva diretamente do princípio do tempo mínimo de Fermat
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Exercício
Um feixe de luz monocromático com λ= 700 nm incide no dióptro, representado na figura ao lado, com um ângulo de incidência θi= 20º. Os indíces de refração dos dois meios são, respectivamente, n1=1.10 e n2=1.50. Determine:
A velocidade de propagação do feixe de luz em cada um dos meios. 
O período e o número de onda da radiação incidente.
O ângulo do feixe reflectido, θr, e do feixe refractado, θt.
Nesta situação, o ângulo crítico de incidência para que ocorra reflexão total.
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Exercício
A velocidade de propagação do feixe de luz em cada um dos meios.
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Exercício
O período e o número de onda da radiação incidente.
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Exercício
O ângulo do feixe reflectido, θr, e do feixe refractado, θt.
1ª Lei da Reflexão
Lei de Snell para a refracção 
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Exercício
Nesta situação, o ângulo crítico de incidência para que ocorra reflexão total.
Nunca ocorre Reflexão Interna Total
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Exercício
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Exercício
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Exercício
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Exercício
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Pensar ....
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Óptica
Ramos da Óptica
Óptica Geométrica
	Descrição dos fenómenos ópticos que ocorrem em sistemas
com componentes de dimensões superiores aos comprimentos de onda da radiação
Óptica Física
	Em sistemas com dimensões menores ou iguais ao comprimento de onda da radiação não podemos ignorar a natureza ondulatória da luz
Óptica Não-linear
	Ocorre em situações de elevada irradiância, nomeadamente com lasers, que originam uma resposta não linear do meio ao campo electromagnético deixando de se verificar do princípio da sobreposição
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Óptica Física
Natureza Ondulatória (Ótica Física) :
Propagação da luz como uma onda;
Modelos de frente de onda (descreve a extremidade dianteira de uma onda, lugar geométrico onde os pontos adjacentes possuem a mesma fase);
 Ex: difração, interferência, 
espalhamento, e outros.
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Óptica Física
Princípio de Huygens
Cada ponto de uma frente de onda primária constitui uma fonte de ondas esféricas elementares secundárias, a sobreposição das quais permite obter a frente de onda primária num instante posterior.
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Óptica Física
 Modelo geométrico que
permite determinar a posição
de uma frente de onda a partir
do conhecimento da anterior.
 Todos os pontos sobre uma dada
frente de onda são considerados
como fontes pontuais para a 
produção de ondas esféricas 
secundárias que se propagam 
para fora com velocidades características das ondas neste meio.
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Óptica
Natureza Corpuscular
Refração;
Reflexão.
Natureza Ondulatória
Interferência;
Difração;
Espalhamento.
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Sobreposição de Ondas
 Mesma Direção;
 Direções Contrárias
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Sobreposição de ondas
A sobreposição de ondas resulta numa onda que corresponde à soma algébrica das ondas sobrepostas
A sobreposição de ondas não afeta de nenhum modo a progressão de cada uma
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Sobreposição de ondas na mesma Direção
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Para duas ondas com a mesma amplitude e a mesma frequência angular
amplitude na posição x
termo oscilante
Sobreposição de ondas na mesma Direção
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Interferência de Ondas Eletromagnéticas
Interferência é o fenômeno que tem como origem a adição vetorial dos campos eletro-magnéticos (princípio da superposição). 
	- deslocamento resultante em qquer ponto em um dado instante 	pode ser determinado somando-se os deslocamentos 	instantâneos de cada onda (princípio da superposição);
	- combinação vetorial de 2 ondas;
Interferência Construtiva
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Interferência de Ondas Eletromagnéticas
Interferência Destrutiva
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Interferência de Luz proveniente de 2 fontes: Experimento de Young
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