Óptica

A óptica é uma das áreas mais importantes da Física, dedica-se ao estudo da luz e dos fenômenos luminosos. Essa área é fundamental para compreender fenômenos do cotidiano e avanços tecnológicos que moldaram a sociedade moderna. Ao longo do tempo, diferentes abordagens surgiram para explicar o comportamento da luz, desde os conceitos mais básicos como reflexão e refração até as teorias mais avançadas, que envolvem as propriedades quânticas da luz e a criação do laser.

Podemos dividir a óptica em quatro tipos: óptica geométrica, óptica ondulatória, óptica eletromagnética e óptica quântica. Essas abordagens são diferentes em seus princípios e limites de aplicabilidade, mas possuem o mesmo objeto de estudo, a luz. No Enem são cobrados conceitos das duas abordagens principais: óptica geométrica e óptica ondulatória, de forma mais contextualizada e conectada ao cotidiano.

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Resumo sobre óptica

• A óptica é a área da Física que estuda a luz, os fenômenos luminosos e a interação da luz com a matéria
• Pode ser dividida em quatro abordagens principais: geométrica, ondulatória, eletromagnética e quântica ou óptica física.
• A óptica geométrica explica fenômenos como o da reflexão e refração, utilizando da geometria para compreender o comportamento da luz.
• A ondulatória descreve a luz como uma onda plana, com comprimento de onda e frequência.
• A óptica eletromagnética interpreta a luz como ondas eletromagnéticas, unindo luz, eletricidade e magnetismo.
• Os estudos da óptica quântica revolucionaram o conceito da luz e possibilitaram o desenvolvimento do laser, um dos maiores avanços tecnológicos no campo da óptica.
• A óptica explora conceitos importantes como a classificação dos feixes luminosos, os meios de propagação da luz e os fenômenos ópticos (reflexão, refração, difração, interferência, absorção e transmissão).
• No Enem, a óptica é normalmente abordada de forma contextualizada, exigindo conceitos da óptica geométrica e ondulatória.

Videoaula sobre óptica

O que é óptica?

A óptica é a área da Física que tem como objetivo o estudo da luz, dos fenômenos luminosos e o de como a luz interage com a matéria.

Quais são os tipos de óptica?

Podemos dividir a óptica em 4 tipos, que diferem em suas abordagens e contextos históricos em que foram desenvolvidos. São elas:

→ Óptica geométrica

Sendo a primeira abordagem moderna de estudo da luz, profundamente estudada pelo famoso físico inglês Isaac Newton, a óptica geométrica interpreta a luz como constituída de feixes retilíneos de luz, chamados de raios de luz, que obedecem o princípio de Fermat e que, como o nome indica, utiliza da geometria para compreender o comportamento da luz, explicando fenômenos como o da reflexão e refração.

A partir desses fenômenos, a óptica geométrica consegue estudar efetivamente a formação de imagens em lentes e espelhos, sejam eles planos, côncavos e convexos, e é de fundamental importância para a construção de instrumentos ópticos, como os microscópios e telescópios. Saiba mais sobre a óptica geométrica clicando aqui.

→ Óptica ondulatória

Como um contraponto à abordagem da óptica geométrica, a óptica ondulatória, baseada no princípio de Huygens e resgatada pelo experimento da dupla fenda de Young séculos depois, descreve a luz como uma onda plana, com comprimento de onda e frequência. Ela é capaz de explicar, além dos fenômenos de reflexão e refração, os fenômenos de difração e interferência.

→ Óptica eletromagnética

A óptica eletromagnética interpreta a luz como ondas eletromagnéticas, unindo luz, eletricidade e magnetismo como parte de uma mesma entidade física. Com o desenvolvimento do eletromagnetismo e das famosas equações de Maxwell, foi possível compreender que a luz pode ser considerada uma onda eletromagnética, sendo a luz visível apenas uma parte do grande espectro eletromagnético.

Com isso, a óptica eletromagnética representa um dos maiores e mais importantes avanços tecnológicos da humanidade, o da capacidade de emitir, receber e controlar ondas eletromagnéticas.

→ Óptica quântica ou óptica física

Com o desenvolvimento da mecânica quântica no início do século XX, os cientistas passaram a compreender a estrutura da matéria e os fenômenos físicos de uma forma completamente diferente do que vinha sendo estudado nos séculos anteriores. No estudo da luz não foi diferente.

Diversos fenômenos, como o da emissão estimulada para a criação do laser; da dualidade onda-partícula; do tunelamento quântico; princípio da incerteza; quantização da energia; entre vários outros, revolucionaram toda a forma de entender a estrutura dos átomos, o conceito da luz sendo constituída de fótons e a criar dispositivos eletrônicos baseados nesses fenômenos que estão, neste momento, funcionando a todo vapor em nossos computadores e celulares.

É importante ressaltar que nenhuma dessas abordagens está errada, somente são diferentes em seus princípios e limite de aplicabilidade, e possuem o mesmo objeto de estudo, a luz.

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Quais são os princípios da óptica?

• Princípio da propagação retilínea dos raios luminosos: determina que os feixes luminosos propagam em linha reta nos meios homogêneos (iguais em todo o espaço) e transparentes. Para saber mais, clique aqui.

• Princípio da reversibilidade dos raios luminosos: determina que os feixes luminosos podem alterar o sentido de propagação.

• Princípio da independência dos raios luminosos: determina que os feixes luminosos podem atravessar um ao outro, sem que suas trajetórias possam ser afetadas.

• Princípio de Fermat: determina que os feixes luminosos percorrem a trajetória que requer o menor tempo de propagação entre dois pontos.

• Princípio de Huygens: determina que cada ponto em uma frente de onda funciona como uma nova fonte, produzindo ondas que se propagam com a mesma frequência, velocidade e na mesma direção das ondas originais.

Fórmulas da óptica

→ Lei de Snell-Descartes

$n_1 \cdot \ sen(\theta_i) = n_2 \cdot \ sen(\theta_r)$

Onde n₁ é o índice de refração do meio 1, n₂ é o índice de refração do meio 2, $\theta_i$ é o ângulo de incidência e $\theta_r$ é o ângulo de refração. Para saber mais sobre essa lei, clique aqui.

→ Lei de reflexão

$\theta_i = \theta_r$

Onde $\theta_i$ é o ângulo de incidência e $\theta_r$ é o ângulo de reflexão.

→ Índice de refração em um meio

$n_m = \frac{c}{v_m}$

Onde n_m é o índice de refração do meio, c é a velocidade da luz e v_m é a velocidade da luz no meio.

→ Equação de Gauss

$\frac{1}{f} = \frac{1}{p} + \frac{1}{i}$

Onde f é a distância focal, p é a distância do objeto e i é a distância da imagem.

→ Associação de espelhos planos

$n = \frac{360^\circ}{\alpha} - 1$

Onde n é o número de imagens formado e α é o ângulo de abertura entre os espelhos.

Saiba mais: Quem mediu pela primeira vez a velocidade da luz?

Conceitos importantes da óptica

→ Classificação dos feixes luminosos

Na óptica geométrica, define-se que a luz pode se propagar de três formas distintas:

• Feixes paralelos: que se propagam juntos, com a mesma direção e sentido.

• Feixes divergentes: que partem de um ponto em comum e se espalham em várias direções.

• Feixes convergentes: que partem de diversas direções e chegam em um ponto em comum.

→ Meios de propagação da luz

Existem três tipos de meios em que a luz pode ou não se propagar:

• Transparente: é o meio que permite que toda a luz possa atravessar.

• Translúcido: é o meio que permite que uma parcela da luz atravesse.

• Opaco: é o meio que impede que toda a luz atravesse.

→ Fontes de luz

As fontes de luz podem ser classificadas como dois tipos:

• Fontes primárias: são as fontes de luz que possuem luz própria. O Sol é um exemplo de fonte primária, pois produz a sua própria luz.

• Fontes secundárias: são as fontes de luz que refletem a luz de outros corpos. A lua é um exemplo de fonte secundária, pois reflete a luz do Sol.

→ Fenômenos ópticos

Os principais fenômenos ópticos são:

• Reflexão: fenômeno que ocorre quando o feixe luminoso é refletido por um obstáculo, como o espelho.

• Refração: fenômeno que ocorre quando o feixe luminoso muda sua direção ao passar por um meio com índice de refração diferente do meio inicial.

• Difração: fenômeno que ocorre quando o feixe luminoso é espalhado por um obstáculo ou orifício.

• Interferência: fenômeno que ocorre quando dois ou mais feixes luminosos se sobrepõem.

• Absorção: fenômeno que ocorre quando o feixe luminoso é absorvido pela superfície de um corpo.

• Transmissão: fenômeno que ocorre quando o feixe luminoso atravessa um meio transparente ou translúcido.

Óptica no Enem

No Enem, a óptica é comumente abordada de forma mais contextualizada e conectada ao cotidiano, abrangendo conceitos das duas abordagens principais: a óptica geométrica e a óptica ondulatória. Na óptica geométrica, o foco está em fenômenos como reflexão, refração, formação de imagens em lentes e espelhos, e instrumentos ópticos. Já na óptica ondulatória, a ênfase é no comportamento ondulatório da luz, incluindo interferência e difração.

As questões geralmente não exigem cálculos complexos, mas sim uma boa interpretação de texto e a compreensão dos fenômenos ópticos, como no famoso exemplo de refração que explica por que um objeto na água parece deslocado de sua posição real, que pode ser visto na seguinte figura:

Portanto, para se sair bem nesse tema é preciso estudar a luz como partícula e como onda, além de observar exemplos do dia a dia e praticar muitos exercícios que já caíram em exames anteriores.

→ Videoaula sobre óptica

Exercícios resolvidos sobre óptica

Questão 1: (Unimep-SP) Quando um raio de luz penetra na água, muda sua direção de propagação. Esse fenômeno é conhecido como refração da luz. Isso acontece porque:

A) a frequência varia quando a luz atravessa substâncias diferentes.

B) a velocidade de propagação da luz depende do meio em que ela se propaga.

C) o índice de refração do meio depende das cores.

D) a luz não transporta energia.

E) a luz não é uma onda eletromagnética.

Resolução:

Alternativa B. Como vimos na fórmula do índice de refração em um meio, a velocidade de propagação da luz depende de em qual material ela está se propagando.

Questão 2: (Uesc) Com relação à velocidade de propagação da luz, pode-se afirmar que ela:

A) é maior no vidro que no ar.

B) é igual para qualquer meio transparente.

C) pode alcançar até o valor de 100.000 km/s no vidro, porque esse valor é o limite da propagação luminosa num meio transparente.

D) é maior para os meios refringentes que apresentam elevados valores para os seus índices de refração absoluto.

E) depende do índice de refração do meio considerado.

Resolução:

Alternativa E. De acordo com a fórmula do índice de refração em um meio, a velocidade da luz em um material depende do valor do índice de refração.

Fontes

CARRON, Wilson; GUIMARÃES, Osvaldo. As faces da física (vol. único). 1. ed. Moderna, 1997.

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos da Física: óptica e Física Moderna (vol. 4). 9 ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2012.

NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Curso de física básica: óptica, Relatividade e Física Quântica (vol. 4). 2 ed. São Paulo: Editora Blucher, 2014.