Universidade Federal do Rio Grande do Sul Instituto de Física

1. Óptica: origens e conceitos Universidade Federal do Rio Grande do Sul Instituto de Física Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física MESTRANDO Patrese Vieira Porto Alegre, ABRIL de 2013

3. SIGNIFICADO DO COTIDIANO SIGNIFICADO DA FÍSICA ≠

4. luz

5. UMA LUZ PARA A LUZ DA FÍSICA AO COTIDIANO, E VICE-VERSA

6. A Óptica é o ramo da Física que estuda a luz, sua origem, seu comportamento e os fenômenos da natureza na qual está envolvida. E onde a luz está envolvida?

8. A palavra luz possui diversos sentidos, assim seu significado dependerá do meio social do qual estamos participando.

9. 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: Luzda 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: Homemdepoucas 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.deatividade, 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.defundo, 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 abrirluz, no fim do laço, acepção11. Dar à luz: a) parir; b) publicar uma obra. Luz e pelego, Reg (Centro e Sul): vantagem que consiste em oferecerluz na chegada, com liberdade de peso para o competidor. Vir à luz: surgir, aparecer.

10. Assim como no dia a dia, a Física também apresenta uma natureza bastante ampla para a luz.

11. No início, a luz estava relacionada ao dia e a noite.

12. Durante a noite, o fogo era utilizado para iluminação. Assim era possível concluirque há a necessidade de luz para que se possa enxergar.

13. Embora se tenha chegado a essa conclusão, tanto a luz quanto a visão permaneciam inexplicadas. O que é a luz? De onde ela vem? Como enxergamos?

14. HIPÓTESES FILOSÓFICAS PARA A LUZ GRÉCIA ANTIGA

15. 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.

16. A existência dessas diferentes teorias para a visão se baseava em uma única pergunta: O QUE E A LUZ? ´

17. Na Grécia Antiga, havia 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 (espécie de onda).

18. TERRA AR Na época muitos filósofos, como Empédocles, Platão e principalmente Aristóteles, acreditavam que a matéria era constituída por quatro elementos principais: ´ FOGO AGUA

19. Para Platão, a luz seria constituída por partículas de fogo. LUZ FOGO

20. 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 Demócrito entendiam a luz como uma espécie de matéria emitida, a qual chamaram de simulacro. Leucipo (480 a.C. – 420 a.C.) Demócrito (460 a.C. – 370 a.C.)

21. Platônicos e Atomistas: luz é formada por partículas. Porém, Aristóteles discordava!

22. A Física Aristotélica se baseia no movimento. A luz seria uma forma de movimento puro, portanto não poderia ser formada pelas mesmas substâncias que a matéria (terra, fogo, água e ar). Dessa forma, a luz foi interpretada como uma manifestação do meio.

23. LOGO, O QUE É A LUZ? A dúvida a respeito da natureza da luz permaneceu em aberto por milhares de anos, mas isso não impediu o avanço da Óptica. Uma nova forma de entender a luz foi adotada, e a partir dessa ideia muitos conhecimentos passaram a ser construídos.

24. A ÓPTICA GEOMÉTRICA GRÉCIA ANTIGA, IMPÉRIO ROMANO, MESOPOTÂMIA, RENASCENÇA

25. Euclides (325 a.C. - 265 a.C.), eminente matemático grego, inspirou-se em Aristóteles para decidir estudar a luz como um raio luminoso, atribuindo-lhe algumas características que o conduziram a conclusões utilizadas com sucesso ainda hoje.

26. 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.

27. 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

28. Euclides descreveu a formação de imagens em diferentes tipos de espelhos e um interessante experimento realizado com um anel e água, para o qual não obteve explicação.

29. 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. Atualmente, o acendimento da chama olímpica segue os mesmos procedimentos, através de espelhos.

30. Sêneca (4 a.C – 65 d.C.), poeta romano, teria utilizado esferas de vidro preenchidas com água como um objeto de aumento (protótipo da lupa).

31. Ainda que não tivessem ciência, Euclides, com o experimento da moeda, e Sêneca, com seu objeto de aumento, estavam lidando com o importante conceito da refração, descrito por Claudius Ptolomeu (85 d.C. – 165 d.C.), mais conhecido por suas contribuições à Astronomia.

32. Na época, Ptolomeu 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.

33. 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. NORMAL AR i ÁGUA r

34. As próximas contribuições fundamentais para a Óptica Geométrica foram fornecidas cerca de mil anos após Ptolomeu, pelo físico e matemático iraquiano Abu Ali Hasan Ibn al-Haitham, conhecido como Alhazen (965 – 1040).

35. Foi 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.

36. 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. NORMAL a a

37. Alhazen também foi o primeiro a obter imagens com câmaras escuras, precursoras das câmeras fotográficas, inicialmente sem lentes.

38. Não se tem certeza de 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.

39. No ocidente, os primeiros óculos surgiram por volta da década de 1280. 1352 1403

40. 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.

41. 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.

42. 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) propõe a hoje chamada Lei da Refração, mais conhecida como Lei de Snell, porém não publicou seus resultados.

43. O mesmo não fez o filósofo francês René Descartes (1596 – 1650), que em 1637 mostrou publicamente o mesmo resultado, razão pela qual a Lei da Refração também pode ser chama de Lei de Snell-Descartes.

44. Os estudos de Descartes para explicar a refração estavam intimamente relacionados com uma velha pergunta, cujas investigações estavam voltando a tona: O QUE É A LUZ?

45. Óptica: a ciência da luz França, reino unido, holanda, alemanha, estados unidos

46. Na antiguidade, as especulações em torno da natureza da luz eram de caráter filosófico, ou seja, não havia o apoio em bases científicas. Os avanços proporcionados pela Óptica Geométrica proporcionaram um rol de conhecimentos que contribuíram inestimavelmente para a investigação da natureza da luz, agora analisada sob um novo olhar: a Física.

47. Partículas Vs. Ondas

48. 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.

49. 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.

50. Segundo Descartes, a luz teria velocidade maior em meios mais densos. Assim, seguindo o exemplo adotado, a velocidade da luz na água seria maior que a velocidade da luz no ar. AR ÁGUA