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1.3. Exercícios sobre Polarização da Luz (Parte 1)

— 1.3. Exercícios sobre Polarização da Luz —

Exercício 7 Duas películas polarizadas tem seus eixos de transmissão cruzados de tal forma que nenhuma luz é transmitida. Uma terceira película inserida entre elas com seu eixo de transmissão fazendo um ângulo de {45^o} em relação a cada um dos eixos. A combinação é mostrada na figura ao lado.Suponha que cada película ideal. Encontre a fracção da luz que é transmitida pelo sistema.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

Resolução 7 .

Neste problema, analisamos a passagem da luz em filtros polarizadores. Esta passagem obedece a lei de Malus. A luz passa por um polarizador, e em por outros dois polarizadores (chamamos {P_1}, {P_2} e {P_3}). Incide luz natural em {P_1}. Após a passagem neste polarizador, já teremos luz linearmente polarizada, na direcção vertical. Em seguida, essa luz linearmente polarizada incide num segundo polarizador ({P_2}). Ao passar por este polarizador, a luz transmitida tem intensidade que obedece a lei de Malus, e portanto, é proporcional ao ângulo entre estes dois polarizadores (ou entre a direcção de polarização da luz incidente e o eixo do polarizador em questão). No terceiro polarizador, acontece o mesmo.

Dados

{\theta_{1} \ = \ 0^{o}}

{\theta_{2} \ = \ 45^{o}}

{\theta_{3} \ = \ 90^{o}}

{\dfrac{I_{f}}{I_0} \ - \ ?}

Utilizamos a lei de Malus e os conhecimentos de geometria, podemos determinar a fracção da Luz transmitida pelo sistema. O polarizado {P_{1} \ } está colocado a {0^{o}} com as componentes paralelas da Luz, então Depois deste polarizadores só passa as componentes paralelas da Luz, ou seja {50 \%} da intensidade da Luz.

Então, a intensidade após o primeiro polarizador será:

\displaystyle I_{1} \ = \ 0,5 \cdot I_{0}

A intensidade da Luz depois do polarizador {P_{2}} é determinado pela lei de Malus.

Conforme vimos pelo gráfico, o ângulo entre {P_{1}} e {P_{2}} é:

\displaystyle \theta_{12}= |\theta_{1}-\theta_{2}|

Neste caso, a intensidade após o segundo polarizador será:

\displaystyle I_{2} \ = \ I_{1} \cdot cos^{2} \ (\theta_{12})

\displaystyle \Rightarrow I_{2} \ = \ I_{1} \cdot cos^{2} \ (\theta_{2} \ - \ \theta_{1})

Obs: Não se usou o modulo pois a função cosseno é par.

Por fim a intensidade da Luz depois do terceiro polarizador e que Por conseguinte será a intensidade da Luz transmitida pelo sistema, também é determinado pela Lei Malus.

De acordo com a figura, ângulo formado entre {P_{2}} e {P_{3}} é:

\displaystyle \theta_{23}= |\theta_{2}-\theta_{3}|

Deste modo, a intensidade após o terceiro polarizador será:

\displaystyle I_{3} \ = \ I_{f} \ = \ I_{2} \cdot cos^{2} \ (\theta_{23} )

\displaystyle \Rightarrow I_{3} \ = \ I_{f} \ = \ I_{2} \cdot cos^{2} \ (\theta_{3} \ - \ \theta_{2})

Neste caso, a passagem de luz pelo sistema é definida pelas seguintes equações:

\displaystyle \left\{\begin{array}{cccccc} I_{1} \ = \ 0,5 \ (I_{0})\\ I_{2} \ = \ I_{1} \cdot cos^{2} \ (\theta_{2} \ - \ \theta_{1})\\ I_{3} \ = \ I_{2} \cdot cos^{2} \ (\theta_{3} \ - \ \theta_{2})\\ \end{array}\right.

Substituindo as equações 1 na equação 2 e sem seguida substituindo a equação 2 na equação 3, obtemos:

\displaystyle I_{3} \ = \ I_{f} \ = \ I_{2} \ cos^{2} \ (\theta_{3} \ - \ \theta_{2})

\displaystyle \Rightarrow I_{f} \ = \ [I_{1} \ cos^{2} \ (\theta_{2} \ - \ \theta_{1})] \ cos^{2} \ (\theta_{3} \ - \ \theta_{2})

\displaystyle \Rightarrow I_{f} \ = \ 0,5 \ I_{0} \ cos^{2} \ (\theta_{2} \ - \ \theta_{1}) \ cos^{2} \ (\theta_{3} \ - \ \theta_{2})

\displaystyle \Rightarrow I_{f} \ = \ 0,5 \ I_{0} \ [cos \ (\theta_{2} \ - \ \theta_{1}) \ cos^{2} \ (\theta_{3} \ - \ \theta_{2})]^{2}

\displaystyle \Rightarrow I_{f} \ = \ 0,5 \ I_{0} \ [cos \ (45^{o} \ - \ 0^{o})] \ cos \ (90^{o} \ - \ 45^{o})]^{2}

\displaystyle \Rightarrow I_{f} \ = \ 0,5 \ I_{0} \ [cos \ (45^{o} \ - \ 0^{o})] \ cos \ (90^{o} \ - \ 45^{o})]^{2}

\displaystyle \Rightarrow I_{f} \ = \ 0,5 \ I_{0} \ (cos \ 45^{o} \ . \ cos \ 45^{o})^{2}

\displaystyle \Rightarrow I_{f} \ = \ 0,5 \ I_{0} \ (cos^2 \ 45^{o} \ )^{2}

\displaystyle \Rightarrow I_{f} \ = \ 0,5 \ I_{0} \ (cos \ 45^{o})^{4}

\displaystyle \Rightarrow I_{f} \ = \ 125 \cdot I_{o}

Então, passando {I_0} para o membro esquerdo da equação acima, obtemos:

\displaystyle \dfrac{I_{f}}{I_{o}} \ = \ 0,125=\dfrac{1}{8}

A fracção da intensidade da Luz transmitida pelo sistema é de {\dfrac{1}{8}} ({12,5 \ \% }).

Exercício 8 Um feixe de luz não polarizada incide sobre duas placas polarizadas super expostas. Qual deverá ser ângulo entre os eixos dos polarizadores para que intensidade do feixe transmitido seja um terço da intensidade do feixe incidente?

NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

Resolução 8

O problema tem a ver com o fenómeno de polarização da Luz. A luz passa por duas placas polarizadas, que formam um certo ângulo. A condição de calculo é que intensidade da luz após passar as placas seja um terço da intensidade da luz antes de passar as placas.

Neste caso, é-nos dada uma relação de forma indirecta: a razão entre a intensidade da luz depois dos polarizadores e a intensidade inicial.

Dados

{\dfrac{I_{2}}{I_{0}} \ = \ \dfrac{1}{3} }

Considerarmos {I_{0}} a intensidade da luz incidida ao primeiro polarizador, {I_{1}} A intensidade da luz que emerge do primeiro polarizador e incide no segundo polarizador e e {I_{2}} a intensidade da luz que emerge do segundo polarizador.

De acordo com o funcionamento dos filtros polarizadores ideais, quando a luz natural incide nele, é transmitida apenas {50 \% } da sua intensidade. Então, teremos:

\displaystyle I_{1} \ = \ \dfrac{1}{2} \ I_{0}

Pela lei de Malus sabe-se que :

\displaystyle I_{2} \ = \ I_{1} \cdot cos^{2} \alpha

Substituindo {I_2} pela relação anterior de {I_{1}}, teremos:

\displaystyle I_{2} \ = \dfrac{1}{2} \cdot I_{0}\cdot cos^{2} \alpha

Passando o {I_0} para o membro esquerdo, obtemos:

\displaystyle \dfrac{I_{2}}{I_0} \ = \dfrac{1}{2} \cdot cos^{2} \alpha

Então:

\displaystyle cos^2 \alpha \ = 2 \cdot \dfrac{I_{2}}{I_{1}}

\displaystyle \Rightarrow cos \alpha \ = \sqrt{2 \cdot \dfrac{I_{2}}{I_{1}}}

\displaystyle \Rightarrow cos \alpha \ = \sqrt{2 \cdot \dfrac{1}{3}}

\displaystyle \Rightarrow cos \alpha \ = \sqrt{\dfrac{2}{3}}

Nota: Antes da raiz, deveria ter sinal {\pm }, porém, como estamos apenas interessados na amplitude do ângulo, desprezamos o sinal negativo.

Insolando {\alpha}, obtemos:

\displaystyle \alpha \ = \ arccos \left(\sqrt{\dfrac{2}{3}}\right)

\displaystyle \Rightarrow \alpha \ \approx 35,3^o

O ângulo entre as direcções de polarização das Placas para que a intensidade do feixe transmitido seja um terço do feixe incidido, deve ser de {35^{o}}.

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2.1. Exercícios sobre Reflexão da Luz e Espelhos Planos (Parte 2)

 

Exercício 11 Três espelhos interceptam-se em ângulos rectos.Um feixe de luz atinge o primeiro deles com um ângulo {\theta} (ver figura ao lado) .a)Mostre que quando esse raio é refletido pelos outros dois espelhos e cruza o raio original,o ângulo entre esses dois raios será {\alpha = \ \ 180^{o}-2\theta} e determine o ângulo {\theta} para o qual os dois raios serão perpendiculares quando se cruzam?

.NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

.

Resolução 11 .

Redesenhando a figura. Na figura o ponto de intersecção entre o raio incidente e o primeiro espelho espelho chamamos de {B}.

O raio que se reflecte deste ponto vai incidir no outro ponto do segundo espelho, que chamamos de {C}.

Raio reflectido do ponto {C} vai incidir no outro ponto do terceiro espelho que chamamos de {D}.

O raio reflectido do ponto {D} vai cruzar-se com o raio incidente num ponto que chamamos {A}.

O ângulo de incidência e reflexão no ponto {C} chamamos de {z}. O complementar de {z} chamamos de {\varphi}.

O ângulo de incidência e reflexão no ponto {D} chamamos de {\beta}. O complementar de {\beta} chamamos de {\Psi}.

O complementar de {\theta} chamas de {\chi}.

Marcamos ainda os .s é eficaz conforme indicado na figura.

Da figura, no ponto B, analisando entre o espelho e a sua normal, temos:

\displaystyle \chi \ + \theta = \ \ 90^{o}

pelo triângulo BHC, pelo teorema da soma dos ângulos internos, temos temos :

\displaystyle \chi \ + \varphi \ + \ 90^{o} = \ \ 180^{o}

\displaystyle \chi \ + \varphi = \ \ 90^{o}

Subtraindo ambas equações dos passos anteriores, obtemos :

\displaystyle \varphi = \ \theta

Pelo teorema de ângulos internos no triângulo CDG, temos :

\displaystyle \varphi \ + \Psi \ + \ 90^{o} = \ \ 180^{o}

\displaystyle \varphi \ + \Psi = \ \ 90^{o}

Pelo teorema de ângulos internos no triângulo ADF, temos :

\displaystyle y \ + \ 90^{o} \ + \Psi = \ \ 180^{o} \Rightarrow

\displaystyle y \ + \Psi = \ \ 90^{o}

Subtraindo esta última pela equação do passo anterior, obtemos :

\displaystyle y = \ \varphi

Como {\varphi = \ \theta}, obtermos:

\displaystyle y = \ \theta

No quadrilátero {ABCD} temos :

\displaystyle 2y \ + \alpha = \ \ 180^{o} \Rightarrow \alpha = \ \ 180^{o} \ - \ 2y

Substituindo {y = \ \theta}, obtemos:

\displaystyle \alpha = \ 180^{o} \ - \ 2\theta

Exercício 12 Um feixe de luz emitido por um laser,incide sobre a superfície da água de um aquário,como representado nesta figura :

O fundo desse aquário é espelhado ,a profundidade da agua é de 40 cm e o ângulo de incidência do feixe de luz é de {50^{o}}. Qual é a distância entre os pontos A e C da figura?

NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

.

Resolução 12 .

Dados

{n_{agua} = \ \ 1,33}

{h = \overline{BO}= \ \ 40 \ cm}

{\varphi = \ \ 50^{o}}

{ \overline{AC} \rightarrow \ ?}

.

No problema, a luz incide a partir do ar para a água. Toca na água no ponto A e refracta-se na água. É reflectida no ponto B(no espelho que está no fundo) e retorna à superfície de separação água-ar. No ponto C, faz refracção novamente para o Ar.

Para acharmos a distância AC devemos calcular o ângulo que o feixe de luz faz com a normal na água (usando a lei de Snell-Descartes), e combinando estes valores com a profundidade, no triângulo ABC.

.

Redesenhando a figura,temos :

Pela lei de Snell, no ponto A, podemos determinar o ângulo de refração. Temos :

\displaystyle n_{ar} \ sen 50^{o} = \ \ n_{agua} \ . sen \theta

Isolando o seno, no membro esquerdo, temos:

\displaystyle sen \theta = \ \dfrac{n_{ar} \ sen 50^{o}}{n_{agua}} = \ \dfrac{1. \ sen 50^o}{1,33}

\displaystyle \Rightarrow \theta =\ arcsen({ \dfrac{1. \ sen 50^o}{1,33}}) = \ 35,15^{o}

Se considerarmos o ponto médio do segmento {\overline{AB}}, que chamamos de {D}, então o triângulo ABD é rectângulo. O ângulo interno do vértice B é igual a {\theta } e {\overline{AD}=\overline{AC}/2}. Então:

\displaystyle tg \theta= \ \dfrac{\overline{AD}}{\overline{BD}} = \ \dfrac{\dfrac{\overline{AC}}{2}}{h} = \ \dfrac{\overline{AC}}{2h}

\displaystyle \Rightarrow \overline{AC} = \ 2h \ . \ tg \theta

Substituindo valores, obtemos:

\displaystyle \overline{AC} = \ 2 \ . \ 40 \ cm \ . \ tg \ (35,15^o) \Rightarrow \overline{AC} = \ 56,37 \ cm

.

Exercício 13 Um rapaz em repouso na rua,vê sua imagem reflectida por um espelho plano preso verticalmente na traseira de um autocarro que se afasta com a velocidade escalar constante de {20 \ m/s}. Qual é a velocidade de afastamento da imagem em relação ao rapaz?

NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

.

Resolução 13 Neste problema temos de analisar não só a velocidade com o espelho se afasta do rapaz, mas também a velocidade com que a sua imagem (que o espelho produz) se afasta dele.

O melhor raciocínio mais simplificado, consiste em estabelecer o espelho como referencial de analise e depois achar a velocidade relativa.

A medida que o autocarro se move para a direita, automaticamente o espelho também se move para a direita. como o movimento é relativo, podemos considerar que o autocarro e o espelho estão em repouso e o rapaz ({AB}) é que se está a mover no sentido oposto (para a esquerda), com a mesma velocidade.

Se o rapaz, que é o nosso objecto óptico({AB}), se move para esquerda com velocidade v, então a sua imagem formada pelo espelho ({A'B'}) se afasta do espelho para direita com velocidade {v'}.

Vamos estabelecer as equações do movimento no 1ª referencial (com origem no espelho) e depois amos fazer a transformação de Galileu par o 2º Referencial (com origem no rapaz). Veja a figura.

Pela lei da reflexão, em qualquer momento:

\displaystyle \Delta x_{e} = \Delta x_{i}

Portanto :

\displaystyle -v \cdot t = v' \cdot t

\displaystyle \Rightarrow -v = v'

\displaystyle \Rightarrow |v| = |v'|

Então , neste referencial (Referencial 1), temos:

\displaystyle x_{Rap-Ref1}=x_{0Rap} - v. t

\displaystyle x_{Esp-Ref1}=0

\displaystyle x_{Rap-Ref1}=x_{0Rap} + v.t

.

Se estabelecermos um novo referencial (no rapaz), então este referencial 1 (com origem no espelho) está em movimento em relação ao novo referencial 2 (com origem no rapaz), com velocidade v.

A transformação de galileu diz que: {x_{Ref2}=x_{Ref 1} - v. t}.

Então para o rapaz( que no referencial 1 estava em movimento regressivo com velocidade v) teremos:

\displaystyle x_{Rap-Ref2}=x_{Rap-Ref 1} + v. t

\displaystyle x_{Rap-Ref2}=(x_{0Rap}-v.t) + v. t

\displaystyle x_{Rap-Ref2}=x_{0Rap}

Neste novo referencial, o rapaz está repouso.

.

Para o espelho/autocarro( que no referencial 1 estava em repouso na origem) teremos:

\displaystyle x_{Esp-Ref2}=x_{Esp-Ref 1} + v. t

\displaystyle x_{Esp-Ref2}=0 + v. t

\displaystyle x_{Esp-Ref2}= v. t

Neste novo referencial, o espelho/autocarro estão em movimento com velocidade v (conforme enunciado).

Para a imagem (que no referencial 1 estava em movimento progressivo com velocidade v) teremos:

\displaystyle x_{Im-Ref2}=x_{Im-Ref 1} + v. t

\displaystyle x_{Im-Ref2}=(x_{0Im}+v.t) + v. t

\displaystyle x_{Im-Ref2}= x_{0Im} + 2 v t

Neste novo referencial,imagem está em movimento com velocidade 2v .

Neste caso, a velocidade da imagem é:

\displaystyle v_{im}= \ 2.v= \ 2.20=40 \ m/s

Exercício 14 Um nativo de uma aldeia pesca em uma lagoa de água transparente. Para isso usa uma lança. Ao observar um peixe, ele atira a sua lança na direcção em que o observa. O jovem está fora da água e o peixe está em 1 m abaixo da superfície. O peixe está a uma distancia horizontal de {0,9 \ m} do ponto aonde a lança atinge a superfície da água. Para essas condições determine :

a)O ângulo {\alpha},de incidência da luz na superfície da agua-ar.

b)O ângulo {\beta} que a lança faz com a superfície da água quando tenta alcançar o peixe.

c)A profundidade aparente y,da superfície da água em que o nativo vê o peixe.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

.

Resolução 14

Dados

{n_{ar} = \ \ 1}

{n_{agua} = \ \ 1,33}

{\alpha \ - \ ?}

{\beta \ - \ ?}

{y = \ \overline{DE} - \ ?}

Neste problema, temos analise baseadas na refracção da luz. O Peixe está no Ponto O nativo, na beira do rio, vê como se o peixe estivesse no ponto D (que é a imagem virtual do ponto C) formada pela refracção da luz na superfície. O ponto A é o ponto onde ocorre a refracção. O ângulo {\alpha} é o ângulo de incidência da luz que sai do peixe e incide no ponto A. O ângulo {\theta } é o ângulo de refracção da luz no ponto A. ângulo {\beta } é complementar de {\theta}

  1. Para encontramos o ângulo {\alpha}, vamos aplicar a relação para as razões trigonométricas no triângulo rectângulo ABC. Sendo {\overline{AB}} cateto adjacente, {\overline{BC}} cateto oposto e{\overline{AC}} a hipotenusa, teremos:

    \displaystyle tg \alpha = \ \dfrac{\overline{BC}}{\overline{AB}} = \ \dfrac{0,9}{1}

    \displaystyle \Rightarrow \alpha =arctg ( \ \dfrac{0,9}{1})= \ 41,99^{o}

    \displaystyle \alpha = \ 41,99^{o}

  2. Como {\beta} é o complementar de {\theta}, então, acharemos primeiro o {\theta} e com ele acharemos o {\beta}. O {\theta} será obtido pela lei da refracção:

    \displaystyle n_{ar} \ sen \theta = \ \ n_{agua} \ sen \alpha

    Insolando o seno de { \theta }, temos:

    \displaystyle \ sen \theta = \ \ \dfrac{ \ n_{agua} \ . \ sen \alpha}{n_{ar}} = \ \dfrac{ \ 1,33. \ sen(41,99)}{1}

    Neste caso:

    \displaystyle \theta = arcsen ( \dfrac{1,33. \ sen(41,99)}{1})

    \displaystyle \Rightarrow \theta = \ \ 62,85^{o}

    Como {\theta \ + \beta = \ \ 90^{o}}, então:

    \displaystyle \beta = \ \ 90^{o} \ - \theta = \ \ 90^{o} \ - \ 62,85^{o}

    \displaystyle \Rightarrow \beta = \ 27,15^{o}

  3. A profundidade aparente do peixe, neste caso, corresponde ao segmento {\overline{DE}}. Para achar o seu valor, usaremos o triângulo ADE. Para este triângulo, temos:

    \displaystyle tg \beta = \ \dfrac{\overline{DE}}{\overline{AE}} \ \dfrac{y}{x}

    \displaystyle \Rightarrow y = \ x \ tg \ (\beta)

    \displaystyle \Rightarrow y = \ 0,9\ tg \ ( 27,15^{o})

    \displaystyle y = \ 0,46 \ m

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OBS: Como qualquer trabalho, esta publicação pode estar sujeita a erros de digitação, falta de clareza na imagem ou alguma insuficiência na explicação. Neste sentido, solicitamos aos nossos leitores o seguinte:

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2.1. Exercícios sobre Reflexão da Luz e Espelhos Planos (Parte 1)

— 2. Exercícios sobre Geométrica —

— 2.1. Exercícios sobre Reflexão da Luz e Espelhos Planos —

Exercício 7 Supondo que o objecto B,no instante inicial está em movimento com a velocidade de {1 \ m/s},na direcção indicada. Após quanto tempo será visível pelo espelho de vidro,pelo observador no ponto A?

NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

.

Resolução 7 .

O problema a seguir trata de um problema de Campo de Visão. Pretendemos determinar após quanto tempo o corpo B é visível ao observador do ponto A, pelo espelho na parede.

.

Considerando as dimensões indicadas pelos quadriculados, e a posição do ponto A, podemos traçar os raios luminosos que partem do ponto A e se reflectem no espelho. Os raios que vão definir o campo de visão serão os raios que incidem nas extremidades do espelho. No caso os raios (1) e (2).

Traçamos os seus raios reflectidos pelo espelho, obedecendo a lei da reflexão, de modos que formem os mesmos ângulos. Neste caso, traçamos os raios (1′) e (2′) respeitando a simetria do problema. Veja a figura a seguir:

.

Neste caso, o campo de visão do observador A é a região compreendida entre os raios (1′) e (2′).

.

O Corpo B será visível pelo observador A no momento em que entra no campo de visão de A. Considerando que o corpo B se move e direcção horizontal, ele entrará no campo de visão de A, quando atingir o ponto P, que é o ponto de intercessão entre a linha da sua trajectória e o raio reflectido (1′).

Para calcularmos o tempo, devemos achar primeiramente a distancia percorrida por ele (corpo B) até chegar ao ponto P. No gráfico, podemos observar que esta distancia igual a 2 metros. Então:

{\Delta x = \ 2 m.}

Então, como estamos a avaliar o movimento como um todo, usamos as equações do MRU. Logo:

\displaystyle v = \ \dfrac{\Delta x}{\Delta t} \Rightarrow \Delta t = \ \dfrac{\Delta x}{v} = \

\displaystyle \Rightarrow \Delta t = \dfrac{2 \ m}{1 \ m/s} \Rightarrow \Delta t = \ \ 2 s

Exercício 8 Dois espelhos planos estão dispostos de modo a formar um ângulo de {30^o} entre eles, conforme a figura abaixo. Um raio luminoso incide sobre um dos espelhos, formando um ângulo de {70^o} com a superfície. Este raio reflecte-se neste espelho e depois se reflecte no outro espelho, e cruza o raio incidente formando um ângulo {\alpha}. Qual é o valor deste ângulo{\alpha}?

NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

Resolução 8

Em primeiro lugar, devemos devemos dar nome aos pontos de referência:

  • O raio incidente identificamo-lo por 1;
  • O raio reflectido do primeiro espelho, que vai para o segundo espelho, identificamo-lo por 2;
  • O raio que sai do segundo espelho e cruza novamente com raio 1, identificamo-lo por 3;
  • O ponto de intersecção do raio 1 com o primeiro espelho, identificamo-lo por A;
  • O ponto intersecção do raio 2 com o segundo espelho, identificamo-lo por B;
  • O ponto de intersecção do raio 3 com raio 1, identificamo-lo por D;
  • O ponto de cruzamento dos dois espelhos, identificamo-lo por C.
  • O ângulo formado entre o raio 1 e o raio 2, identificamo-lo por {\beta};
  • O ângulo formado entre o raio 2 2 o espelho 1, identificamo-lo por {\varphi};
  • O ângulo formado entre o raio 2 e o segundo espelhos, identificamo-lo por {\gamma};
  • o ângulo formado entre o raio 2 e o raio 3, identificamo-lo por {\delta};
  • o ângulo formado entre o raio 3 e o espelho 2, identificamo-lo por {\gamma '}.

Queremos determinar {\alpha}, pela geometria sabemos que rectas concorrentes(rectas que se cruzam) formam dois ângulos iguais e opostos, então:

\displaystyle \alpha = \ \alpha'

Podemos determinar {\alpha'} pelo triângulo ABD. Sabemos que a soma dos ângulos internos de um triângulo qualquer é igual à {180^o}, então:

\displaystyle \alpha' + \beta + \delta = \ 180^o

O raio 1 forma um ângulo de {70^o} com o espelho {E_1} e pela lei da reflexão, por analogia, o raio 2 também forma um ângulo de {70^o} com o mesmo espelho( {\varphi = \ 70^o}).

A soma destes três ângulos {(\varphi, \ \beta \ e \ 70^o} dá um ângulo de {180^0}, então:

\displaystyle \varphi + \beta+ 70^o = \ 180^o

\displaystyle \Rightarrow \beta = \ 180^o - 70^o - \varphi = \ 180^o - 70^o - 70^o \Rightarrow \beta = \ 40^o

No triângulo ABC, {\gamma} é um dos ângulos do mesmo triângulo e, como já sabemos, a soma dos três ângulos deste triângulo é igual a {180^o}. Assim podemos determinar {\gamma}:

\displaystyle \varphi + \gamma + 30^o = \ 180^o

\displaystyle \Rightarrow \gamma = \ 180^o-30^o- \varphi = \ 180^o-30^o-70^o \Rightarrow \gamma = \ 80^o

Como {\gamma} é o ângulo formado pelo raio 2 e o espelho 2, pela lei de reflexão, por analogia, este ângulo é igual ao ângulo formado pelo raio 3 e o espelho 2 {\gamma'}. Desta forma podemos determinar {\delta};

\displaystyle \gamma + \delta + \gamma ' = \ 180^o \Rightarrow \delta = \ 180^o - \gamma -\gamma ' = \ 180^o - 80^o - 80^o \Rightarrow \delta = \ 20^o

Tendo já conhecido os valores de {\beta} e {\delta} podemos determinar {\alpha '} que consequentemente será igual à {\alpha}.

\displaystyle \alpha ' + \delta + \beta = \ 180^o

\displaystyle \Rightarrow \alpha ' = \ 180^o - \delta - \beta = \ 180^o - 20^o - 40^o \Rightarrow \alpha ' = \ 120^o

\displaystyle \alpha ' = \ \alpha, \ logo: \ \alpha = \ 120^o

Exercício 9

Considere a figura baixo em que um ponto A está situado em frente de um espelho plano. Qual é a distância entre a imagem do ponto A e o ponto B, na figura, considerando as dimensões da escala indicada?

NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

Resolução 9

E primeiro lugar, devemos localizar a imagem de A. Para esboçar a imagem, seguimos o seguinte raciocínio:

  1. Tracemos dois raios incidentes partindo do ponto A, que incidem no espelho 1 e 2;
  2. Sabemos que por ser um espelho plano os raios vão se reflectir sob o mesmo ângulo. Traçamos então os raios reflectidos 1′ e 2′;
  3. A partir da prolongação dos raios reflectidos pelo espelho podemos determinar a posição da imagem. Está imagem, de acordo com a formação da imagem me espelhos planos, estará à mesma distancia do espelho a que o objecto A se encontra. Neste caso a imagem estará a {1 m} de distância do espelho.

.

A distância entre a imagem de A (A’) e o ponto B é o segmento:{\overline{A'B}}.

Considerando a escala em quadriculado, podemos considerar o triângulo rectângulo (A’BP). Neste caso, {\overline{A'B}} é a hipotenusa do triângulo rectângulo.

Então:

\displaystyle \overline{A'B}^2 = \ \overline{A'P}^2+\overline{PB}^2

\displaystyle \overline{A'B} = \ \sqrt{8^2+3^2}

\displaystyle \overline{A'B} = \ \sqrt{73}

\displaystyle \overline{A'B} = \ 8,544 m

Exercício 10 A distância entre A e o espelho plano {E_1} é de 20 cm. A distância entre o mesmo ponto e o outro espelho plano {E_2} é de 40 cm. Sendo o ângulo {\theta = \ 30^o}. Determine a distância entre a posição da imagem do ponto A formada pelo espelho {E_1} e a imagem do mesmo ponto formada pelo espelho {E_2}.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

Resolução 10

Em primeiro lugar devemos encontrar as imagens formadas pelos espelhos {E_1} e {E_2}.

Sabemos que, nos espelhos planos, a imagem é formada no lado oposto ao espelho, na direcção da perpendicular ao espelho que passa pelo objecto em causa (A) e fica situada a uma distância igual a distância entre objecto e o espelho.

Usando isso, podemos encontrar uma imagem do objecto a ser formado pelo espelho {E_1} (que designamos de {4}) e pelo espelho {E_2} (que designamos {C}.

O ponto de intersecção entre a linha que sai do objecto até a imagem B (Segmento {\overline{AB}}) e o próprio espelho {E_1} identificamos por {B'}.

O ponto de intersecção entre a linha que sai do objecto até a imagem C (Segmento {\overline{AC}}) e o próprio espelho {E_2} identificamos por {C'}.

Então pela formação de imagens em espelhos planos sabemos que {\overline{AB'}=\overline{B'B}} e que {\overline{AC'}=\overline{C'C}}.

A distância que deseja determinar corresponde ao segmento {\overline{BC}}.

Consideremos {\overline{AB} = \ a}, distância entre o objecto e a imagem formada pelo espelho {E_1}, e {\overline{BC} = \ d}, distância entre as duas imagens.

As imagens são formadas pela prolongação dos raios incididos perpendicularmente aos espelhos. Neste caso o ângulo entre cada espelho e o seu respectivo raio incidido é igual à {90^o}.

Por se tratar de espelhos planos, a distância entre cada imagem e o espelho que forma esta imagem é igual à distância entre o objecto e o respectivo espelho. Então:

\displaystyle \overline{BB'} = \ \overline{AB'} = \ 20 \ cm \Rightarrow \overline{AB} = \ a = \ 2\overline{AB'} = \ 2 \cdot 20 \ cm = \ 40 \ cm

\displaystyle \overline{CC'} = \ \overline{AC'} = \ 40 \ cm \Rightarrow \overline{AC} = \ b = \ 2\overline{AC'} = \ 2 \cdot 40 \ cm = \ 80 \ cm

Podemos determinar {\overline{BC} = \ d} pela lei dos cossenos:

\displaystyle d^2 = \ a^2+b^2-2ab \cos \alpha

Mas precisamos antes determinar {\alpha}. {\alpha} é um dos ângulos internos do quadrilátero AB’C’D. Pela geometria, sabemos que a soma dos ângulos internos de um quadrilátero é igual à {360^o}. Então:

\displaystyle \theta + 90^o + \alpha + 90^o = \ 360^o \Rightarrow \alpha = \ 360^o - 180^o - \theta

Sabendo que {\theta = \ 30^o}, teremos:

\displaystyle \alpha = \ 360^o - 180^o -30^o \Rightarrow \alpha = \ 150^o

Assim, já podemos calcular o valor da distância entre as imagens formadas pelos dois espelhos:

\displaystyle d^2 = \ a^2 + b^2 - 2ab \cos \alpha\Rightarrow d = \ \sqrt{a^2+b^2-2ab \cos \alpha}

\displaystyle a = \ 40 \ cm, \ b = \ 80 \ cm , \ \alpha = \ 150^o

Então:

\displaystyle d = \ \sqrt{(40)^2 + (80)^2 - 2 \cdot 40 \cdot 80 \ \cdot (\cos 150^o)}= 116,37 \ cm

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1.1. Exercícios sobre Equações Ondas Electromagnéticas e Propagação (Parte 2)

— 1. Exercícios sobre Natureza da Luz e Propagação de Ondas Electromagnéticas —

— 1.1. Exercícios sobre Equações Ondas Electromagnéticas e Propagação —

Exercício 4 Dois trens de pulso de certa radiação electromagnética são criados simultaneamente, propagam-se paralelamente e atravessam o sistema composto por materiais transparentes com comprimento de {L_1 = \ 125 \ m} e {L_2 = \ 70 \ m}. O trem de pulso 1 passa pelo material de índice de refração {n_1}. O trem de pulso 2 passa pelo material de índice {n_2}.

  1. Sendo que a parte externa é o ar, e { n_1 = \ 1,5}, qual deverá ser o valor de {n_2} para que os pulsos cheguem ao mesmo tempo na tela.
  2. Qual é a diferença entre o tempo de chegada dos dois pulsos no caso em que {n_2 = \ 1,5}.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

 

Resolução 4

    1. .
  1. Para que os trens de pulsos das ondas cheguem na tela ao mesmo tempo é os caminhos ópticos sejam iguais. Como temos 3 materiais, é necessário apenas comparar o trajecto aonde há diferença de índices de refração. Neste caso, o trem pulso 1 passa pelo material de índice de refração {n_1}. Analisaremos o trajecto de B-E. O trem de pulso 2 passa pelo material de índice {n_2} e depois passa por um percurso de ar, até chegar ao ponto D que está alinhado com o ponto E. Analisaremos o trajecto B-C-D.

    A condição para que cheguem ao mesmo tempo é que os caminhos ópticos sejam iguais. Note que o caminho óptico é defino pela relação:

    \displaystyle \textless AB \textgreater = \int_{A}^{B} n \cdot dl

    Para meios em que { n=const \ \Rightarrow \textless AB \textgreater = \bar{AB} \cdot n }.

    Então:

    \displaystyle \textless AE \textgreater = \textless BD \textgreater \Rightarrow \textless AE \textgreater = \textless BC \textgreater + \textless CD \textgreater

    \displaystyle \Rightarrow \bar{AE} n_1 = \bar{BC} n_2 + \bar{CD} n_{Ar}

    onde: {n_{Ar} = \ 1}. Logo, isolando {n_2}, obtemos:

    \displaystyle n_2= \frac{\bar{AE} n_1 - \bar{CD} n_{Ar}}{ \bar{BC}}= \frac{ L_1 n_1 - (L_1 - L_2 )}{ L_2}

    \displaystyle n_2 = \frac{ 125 \cdot 1,5 - (125 - 50 )}{ 50}=1,89

     

  2. Para este caso, o tempo de passagem no troço em análise será determinada pela equação do MRU, considerando a velocidade de propagação {c} e o caminho óptico..

    Neste caso, para o trem 1:

  3. \displaystyle c= \frac{ \textless AE \textgreater }{t_1}

    \displaystyle \Rightarrow t_1 = \frac{\bar{AE} n_1}{c}= \frac{125*1,5}{3\cdot10^8}= \frac{125*1,5}{3\cdot10^8}=6,25 \cdot 10^{7} s

    Para o trem 2:

    \displaystyle c= \frac{ \textless BD \textgreater }{t_1} \Rightarrow t_1 = \frac{ \textless BC \textgreater + \textless CD \textgreater }{t_1}

    \displaystyle \Rightarrow t_1 = \frac{L_2 n_2 + (L_1 - L_2) n_{Ar} }{c}= \frac{70 \cdot 1,5 + (150 - 70) \cdot 1}{3 \cdot 10^8} =5,33 \cdot 10^{7} s

    Neste caso, diferença de tempos é:

    \displaystyle |t_2 - t_1 |= | 6,25 \cdot 10^{7} - 5,33 \cdot 10^{7} | = 0,92 \cdot 10^{7} s

    Como a seguir aos pontos D e E o material é comum aos dois trens de pulsos, então esta diferença mantém-se até o final.

Exercício 5 Na figura a seguir, dois pulsos electromagnéticos são criados em simultâneo, propagam-se paralelamente e atravessam o sistema composto por materiais transparentes com índice de refração {n_{1} = \ 1,4; \ n_{2} = \ \ 1,7; \ n_{3} = \ \ 1,95; \ n_{4} = \ \ n_{5} = \ \ 1,2; \ n_{6} = \ \ 1; \ n_{7} = \ \ 1,3}.O valor de L é 25 m.Qual pulso chegará primeiro e qual é a diferença entre o tempo de chegada dos dois pulsos?

NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

.

Resolução 5 \vspace{0,3cm}

Para não termos de calcular o tempo em cada porção, podemos usar o conceito de caminho óptico. Neste conceito, em vez de se considerar que o índice de refração afecta a velocidade, ele será visto como afectando apenas o percurso. Pelo que, podemos considerar que a luz sempre se propaga com a mesma velocidade {c}. Neste caso, temos apenas de calcular os dois caminhos ópticos e depois calcular os temos.

Para o pulso 1:

\displaystyle \textless l_1 \textgreater = L \cdot n_1 +L \cdot n_2 + L \cdot n_3 + L \cdot n_4 = \ L \cdot (n_1 + n_2 + n_3 + n_4)

\displaystyle \Rightarrow \textless l_1 \textgreater = \ 25 \cdot (1,4 + 1,7 + 1,95 + 1,2)=156,25 \ m

Neste caso, o tempo será obtido a seguir:

\displaystyle c= \frac{ \textless l_1 \textgreater }{t_1} \Rightarrow t_1 = \frac{ \textless l_1 \textgreater }{c}= \frac{156,25}{3\cdot10^8}=5,21 \cdot 10^{7} s

Para o pulso 2:

\displaystyle \textless l_2 \textgreater = 2L \cdot n_5 +L \cdot n_6 + L \cdot n_7 = \ L \cdot (2 n_5 + n_6 + n_7)

\displaystyle \Rightarrow \textless l_2 \textgreater = \ 25 \cdot (2 \cdot 1,2 + 1 + 1,3)=117,5 \ m

Neste caso, o tempo deste pulso será obtido a seguir:

\displaystyle c= \frac{ \textless BD \textgreater }{t_2} \Rightarrow t_2 = \frac{ \textless l_2 \textgreater }{c} = \frac{117,5}{3 \cdot 10^8} =3,92 \cdot 10^{7} s

Como a seguir a este trecho, o material é comum aos dois pulsos, então esta diferença mantém-se até o final.

Neste caso, diferença de tempos é:

\displaystyle |t_2 - t_1 |= | 3,92 \cdot 10^{7} - 5,21 \cdot 10^{7}| = 1.29 \cdot 10^{7} s

Como {t_1 \textgreater t_2 }, significa que o pulso 2 leva menos tempo a percorrer o trecho. Portanto, o pulso 2 chega primeiro.

— 1.2. Exercícios sobre Energia e Potência da Radiação —

Exercício 6 Uma onda electromagnética de frente plana de intensidade de {6 \ W/m^2} inside sobre uma superfície totalmente refletora de {40 \ cm^2} de área, posicionado perpendicularmente à direcção de propagação da onda.

Determine a força que a onda exerce sobre esta superfície.NÍVEL DE DIFICULDADE: Elementar.

Resolução 6 .

Quando uma OEM incide sobre uma superfície totalmente reflectora como o espelho, sua pressão de radiação será:

\displaystyle P_r = \ \frac{2I}{c} \ \ \ \ \ (3)

Por definição, a pressão é a força por unidade de área:

\displaystyle P = \ \frac{F}{A} \ \ \ \ \ (4)

Então:

\displaystyle P_r = \ \frac{2I}{c} \Rightarrow \frac{F}{A} = \ \frac{2I}{c} \Rightarrow F = \ \frac{2AI}{c}

Substituindo:

  • \displaystyle F = \ \frac{2 \cdot 40 \cdot 10^{-4} \cdot 6}{3 \cdot 10^8} = \ 1,6 \cdot 10^{-10} N

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1.1. Exercícios sobre Equações Ondas Electromagnéticas e Propagação

— 1. Exercícios sobre Natureza da Luz e Propagação de Ondas Electromagnéticas —

— 1.1. Exercícios sobre Equações Ondas Electromagnéticas e Propagação —

Exercício 1 Uma onda electromagnética com frequência de 65 Hz desloca-se em um material magnético isolante que possui constante dieléctrica relativa é igual à 3,64 e a permeabilidade magnética relativa é igual à 5,18 nessa frequência. o campo eléctrico possui amplitude de {7,2 \cdot 10^{-3} \ V/m}.

  1. Calcule a velocidade de propagação da onda?
  2. Qual é o comprimento de onda?
  3. Qual é a amplitude do campo magnético?NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.
Resolução 1

Dados

{f = \ 65 Hz}

{\varepsilon_r = \ 3,64}

{\mu_r = \ 5,18}

{E_0 = \ 7,2 \cdot 10^{-12} \ v/m}

{\varepsilon_0 = \ 8,85 \cdot 10^{-12} \ C^2/Nm^2}

{\mu_0 = \ 4\Pi \cdot 10^{-7} \ Wb/Am}

{\textbf{a)}v-? \ \ textbf{b)} \lambda-? \ \textbf{c)}H_0-?}

  • {v-?}Conhecemos a equação duma onda electromagnética que é:

    {\frac{\partial ^2B}{\partial t^2} = \ \frac{1}{\mu \varepsilon} \cdot \frac{\partial ^2B}{\partial x^2}}, onde {\frac{1}{\mu \varepsilon} = \ v^2} é a velocidade de propagação da onda.

\displaystyle v^2 = \ \frac{1}{\mu \ \varepsilon} \Rightarrow v = \ \sqrt{\frac{1}{\mu \varepsilon}}

{\mu} e {\varepsilon} são as constantes magnéticas e eléctricas do meio, respectivamente.

A relação entre estas e as constantes magnéticas e eléctricas relativa é a seguinte:

{\mu = \ \mu_0 \mu_r} e {\varepsilon = \ \varepsilon_0 \varepsilon_r}.

Então a velocidade de propagação da onda será:

{v = \ \frac{1}{\sqrt{\mu \varepsilon}} = \ \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \mu_r \varepsilon_0 \varepsilon_r}} = \ \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \varepsilon_0}} \cdot \frac{1}{\sqrt{\mu_r \varepsilon_r}}}.

Sabe-se que:

\displaystyle c = \ \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \varepsilon_0}} \approx 3 \cdot 10^8 \ m/s

Logo:

\displaystyle v = \ \frac{1}{\sqrt{\mu_r \varepsilon_r}} \cdot c = \ \frac{c}{\sqrt{\mu_r \varepsilon_r}} = \ \frac{3 \cdot 10^8 \ m/s}{\sqrt{5,18 \cdot 3,64}} = \ 0,7 \cdot 10^8 \ m/s

  1. {\lambda-?}A onda electromagnética em questão é uma onda sinusoidal e periódica que pode ser expressa em termos dos seus campos eléctricos e magnéticos da seguinte forma:

    \displaystyle \overrightarrow {E}(x,t) = \ E_0 \cdot \cos(\omega t+ Kx) \overrightarrow{j}

    O comprimento de onde é

    \displaystyle \overrightarrow{B}(x,t) = \ B_0 \cdot \cos(\omega t+ Kx) \overrightarrow{k}

    Para as ondas, a velocidade obedece a relação:

    {v = \ \dfrac{\lambda}{T}}, e sabemos que {T = \ \frac{1}{f}}

    \displaystyle \Rightarrow \lambda = \ \frac{v}{f}

    \displaystyle \Rightarrow \lambda = \ \frac{0,7 \cdot 10^8 \ m/s}{65 \ s^{-1}} = \ 0,011 \cdot 10^8 \ m = \ 1,1 \cdot 10^6 \ m = \ 1100 \ Km

     

  2. {H_0-?}Utilizando a relação das amplitudes dos campos eléctricos e magnéticos na Onda Electromagnética (O.E.M.), temos:
  3. \displaystyle \sqrt{\varepsilon_0 \varepsilon_r} \cdot E_0 = \ \sqrt{\mu_0\mu_r} \cdot H_0

    \displaystyle H_0 = \ \frac{\sqrt{\varepsilon_0 \varepsilon_r} E_0}{\sqrt{\mu}_0 \mu_r} = \ \frac{\sqrt{\varepsilon_0 \varepsilon_r}}{\sqrt{\mu_0 \mu_r}} \cdot E_0

    \displaystyle \Rightarrow H_0 = \ \sqrt{\frac{\varepsilon_0 \varepsilon_r}{\mu_0 \mu_r}} \cdot E_0 = \ \sqrt{\frac{8,85 \cdot 10^{-12} \ \cdot 3,64}{4 \pi \cdot 10^{-7} \cdot 5,18}} \cdot 7,2 \cdot 10^{-3}

    \displaystyle \Rightarrow H_0 = \ 9,43 \cdot 10^{-3} \ A/m

Exercício 2 A potência irradiada pela antena de uma estação radiofónica é de 4 kW. A 4 km do transmissor foi colocada uma antena de recepção de 65 cm de comprimento. Qual é o valor de pico da f.e.m induzida por esse sinal entre as extremidades da antena receptora.

NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.

Resolução 2

Dados

{P = \ 4 \ kW = \ \ 4 \cdot 10^3 \ W }

{l = \ 65 \ cm = \ \ 0,65 \ m}

{r = \ 4Km = \ 4 \cdot 10^3 \ m}

{\varepsilon_{ind}-?} {\varepsilon_0 = \ 8,85 \cdot 10^{-12} \ C^2/Nm^2}

{\mu_0 = \ 4\pi \cdot 10^{-7} \ Wb/Am}

{C = \ 3\cdot 10^8 \ m/s}

{\varepsilon = \ \oint \overrightarrow{E}d\overrightarrow{l}}

O módulo ou amplitude da f.e.m é:

\displaystyle \varepsilon_{ind} = \ E_0 \cdot l \ \ \ \ \ (1)

 

Precisamos antes determinar a amplitude do campo eléctrico {(E_0)}. Em seguida poderemos determinar {\varepsilon_ind}. A intensidade da onda é:

\displaystyle I = \ \frac{1}{2}E_0H_0 = \ \frac{1}{2}E_0(\frac{B_0}{\mu,_0}) = \ \frac{E,_0 B_0}{2\mu,_0}

Como {c = \ \frac{E_0}{B_0}\Rightarrow B_0 = \ \frac{E_0}{c}}. Então:

\displaystyle I = \ \frac{E_0 \frac{E_0}{c}}{2 \mu_0}\Rightarrow I = \ \frac{\frac{E_0}{c}}{2\mu_0} = \ \frac{E_0^2}{2c \cdot \mu_0}

Isolando {E_0}, temos:

\displaystyle E_0^2 = \ 2 \mu_0 c I \Rightarrow E_0 = \ \sqrt{2 \mu_0 c I}

A intensidade da OEM é : {I = \ \frac{P}{A} = \ \frac{P}{4 \pi r^2}}, então:

\displaystyle E_0 = \ \sqrt{2 \mu_0 c \frac{P}{4\pi \cdot r^2}} = \ \sqrt{\frac{ \mu_0 c P}{2\pi r^2}} \ \ \ \ \ (2)

 

Substituindo esta formula na equação 1, temos:

\displaystyle \varepsilon_{ind} = \ E_0 \cdot l = \ \sqrt{\frac{ \mu_0 c P}{2\pi r^2}} \cdot l

\displaystyle \Rightarrow \varepsilon_{ind} = \ \frac{l}{r} \sqrt{\frac{ \mu \cdot c\cdot P}{2\pi}} = \frac{0,65 \ m}{4 \cdot 10^3 \ m} \sqrt{\dfrac{4 \pi 10^{-7} \cdot 3 \cdot 10^8 \cdot 4 \cdot 10^3}{2 \pi}}

\displaystyle \Rightarrow \varepsilon_ind = \ 0,0796 \ V

 

Exercício 3 Um condutor de resistência de 150 {\Omega} e conduz uma corrente contínua de 1 A, e emite ondas electromagnéticas, devido o aquecimento. O condutor tem 8 cm de comprimento e 0,9 nm de raio.

  1. Calcule o vector de Poynting na superfície do filamento?.
  2. Encontre as magnitudes dos campos eléctricos e magnéticos na superfície do filamento;.NÍVEL DE DIFICULDADE: Regular.
Resolução 3

Dados {R = \ 150 \Omega}

{i = \ 1A}

{l = \ 8 \ cm}

{r = \ 0,3 \ n m = \ 0,3 \cdot 10^{-3} \ m}

{\varepsilon_0 = \ 8,85 \cdot 10^{-12} \ C^2/Nm^2}

{\mu_0 = \ 4 \pi \cdot 10^{-7} \ Wb/Am}

{c = \ 3 \cdot 10^8 \ m/s}

.
OBS: Para distinguir intensidade da radiação da intensidade de corrente eléctrica, nomeamos {I} para Intensidade da Radiação e {i} para intensidade de corrente eléctrica.

  1. A intensidade duma O.E.M. corresponde ao valor médio do vector de poynting, assim:

    \displaystyle I = \ \frac{1}{2}|\overrightarrow{S}| \Rightarrow |\overrightarrow{S}| = \ 2I

    A intensidade duma OEM tem relação com a potência desta onda e com a área:

    \displaystyle I = \ \frac{P}{A}

    Sabemos que a potência pode ser dada por :

    \displaystyle P = \ U \cdot i = \ (i \cdot R)i\Rightarrow P = \ i^2 \cdot R

    Para área, vamos considerar a área lateral. Modelamos o condutor como um cilindro. Então, a área lateral será: {A = \ 2 \pi \cdot r \cdot l}.

    Substituindo estas duas relações na fórmula da intensidade , temos:

    \displaystyle I = \ \frac{P}{A} = \ \frac{i^2 \cdot R}{2 \pi \cdot r \cdot l}

    Substituindo na equação do módulo vector de Poyting, obtemos:

    \displaystyle |\overrightarrow{S}| = \ 2I = \ \frac{2R \cdot i^2}{2 \pi \cdot r \cdot l} = \ \frac{2 \cdot 150 \ \Omega \cdot (1 A)^2}{2 \pi \cdot 0,9 \cdot 10^{-9} \cdot 8 \cdot 10^{-2}} = \ 1989,4 \cdot 10^3 \ W/m^2

     

  2. Sabemos que para as O.E.M.:

    \displaystyle I = \ \frac{1}{2}E_0H_0

    Mas {c = \ \frac{E_0}{B_0} \Rightarrow B_0 = \ \frac{E_0}{c}} e {H_0 = \ \frac{B_0}{\mu_0} = \ \frac{\frac{E_0}{c}}{\mu_0} = \ \frac{E_0}{\mu_0 \cdot C}}

    Então:

    \displaystyle I = \ \frac{1}{2}E_0 \cdot \frac{E_0}{\mu_0 \cdot c} = \ \frac{E_0^2}{2c \cdot \mu_0}

    . Isolando {E_0} nesta equação anterior, obtemos :

    \displaystyle E_0^2 = \ 2c \cdot \mu_0 \cdot I \Rightarrow E_0 = \ \sqrt{2c \cdot \mu_0 \cdot I}

    Já sabemos que a intensidade é:

    \displaystyle I = \ \frac{1}{2}|\overrightarrow{S}| = \ \frac{1}{2} \cdot 1989,4 \cdot 10^3 \ W/m^2 = \ 994,7 \cdot 10^3 \ W/m^2

    Logo a amplitude do vector campo magnético será:

    \displaystyle E_0 = \ \sqrt{2c \cdot \mu_0 \cdot I} = \ \sqrt{2 \cdot 3 \cdot 10^8 \cdot 4\pi \cdot 10^{-7} \cdot 994,7 \cdot 10^3}

    \displaystyle E_0 = \ 27,386 \cdot 10^3 \ V/m

    Então, a intensidade do campo magnético é:

    \displaystyle H_0 = \ \frac{B_0}{\mu_0} = \ \frac{\frac{E_0}{c}}{\mu_0} = \ \frac{E_0}{c \cdot \mu_0} = \ \frac{27,386 \cdot 10^3}{3 \cdot 10^8 \cdot 4\pi \cdot 10^{-7}} = 72,64 \ A/m

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Como se formam as cores na bolha de sabão? Interferência.

— 3. Interferência —

— 3.1. Introdução —

A questão da natureza da luz, se era onda ou partícula, durante décadas e séculos animou diversos debates e discussões sobre a n esta, estando a comunidade científica dividida entre a teoria corpuscular de Newton e a teoria ondulatória de Hyugens. Esta calorosa discussão foi depois esclarecida com a teoria de dualidade onda-partícula de “De Broglie”. A concepção actual é de que a luz é onda e partícula. Na realidade, enquadra-se no grupo de ondas electromagnéticas, ocupando uma parte do espectro denominada espectro da luz visível. (Para mais esclarecimentos, ver nos post´s antigos ). Neste artigo , estudaremos o fenómeno de interferência das onda eletromagnéticas, com mais ênfase para a luz. Este é um fenómeno tipicamente ondulatório, e não pode ser analisado segundo os princípios estudados na óptica geométrica. Em vez dela, temos que empregar óptica ondulatória baseada no princípio de Huygens e nos conceitos de ondas electromagnéticas, que foi visto em temas anteriores.

Sugerimos que faça uma recapitulação sobre ondas electromagnéticas.

Quanto a classificação as ondas podem ser mecânicas ou electromagnéticas. As ondas elásticas que se propagam nos corpos sólidos, líquidos ou gasosos são ondas mecânicas.

A luz visível que é objecto do estudo da Óptica é uma espécie de onda electromagnética cujo comprimento de onda vai de {0,40 \mu m} a {0,76 \mu m}. Ela pode se propagar no vácuo bem como nos meios materiais transparentes como ar, o vidro, a água, etc. A luz e as outras espécies de ondas electromagnéticas (ondas de rádio-frequência, raios ultra-violeta,, etc.) são ondas transversais.

Quando a grandeza ou partícula que sofre perturbação oscila perpendicularmente à direcção de propagação do movimento ondulatório , então, as ondas são chamadas de ondas transversais.

Para as ondas electromagnéticas, são os vectores intensidade do campo eléctrico e do campo magnético que oscilam nos planos perpendiculares à direcção de propagação da onda e perpendiculares entre si como mostra a figura.

Figura 71: Onda electromagnética monocromática

As ondas electromagnéticas incluindo a luz visível propagam-se no vácuo (e também no ar) com velocidade aproximadamente igual a: {c = 3\cdot 10^8m/s}.

Quando as grandezas ou partículas oscilam na mesma direcção de propagação do movimento ondulatório as suas oscilações propagam-se por compressões e dilatações originando ondas longitudinais. Por exemplo, quando um som é transmitido no ar, as camadas do ar realizam periodicamente as compressões e dilatações ao longo da direcção de propagação da onda e em torno de suas posições de equilíbrio, criando assim uma onda sonora longitudinal.

As principais característica da onda são:

  • A amplitude de onda define-se como valor máximo da oscilação do movimento oscilatório.
  • O período {T} de uma onda é o intervalo de tempo necessário para que um elemento oscilatório da onda efectue uma vibração completa.
  • A frequência de uma onda é o número de oscilações completas realizadas numa unidade de tempo; depende apenas da frequência da fonte ou centro de abalo.A frequência mede-se em Hertz (Hz). O Hertz é também referido vulgarmente como ciclo por segundo.
  • O comprimento de onda é a distância entre duas cristas ou dois vales consecutivos na onda. Ela representa a distância percorrida pela onda no intervalo de tempo de um período. Por isso, ele é igual ao produto da velocidade de propagação da onda pelo período da onda.
  • A fase caracteriza a posição da partícula (ou o valor da grandeza) que oscila no ciclo. Pode ser medida em graus ou em radianos. a unidades no {SI} é o radiano.

— 3.2. Sobreposição de ondas e interferência —

O princípio de sobreposição é um princípio muito básico e já notamos o seu efeito várias vezes na nossa vida. Nós nos comunicamos através do som, que é uma onda mecânica. Quando duas pessoas falam ao mesmo tempo, as duas estão produzindo ondas mecânicas, e estas estão se propagando pelo ar. O nosso ouvido, pela sua própria característica de constituição e funcionamento não consegue separar uma da outra. O cérebro pode concentra-se em processar mais uma do que a outra, mas o ouvido, não. Portanto, se muitas pessoas falarem ao mesmo tempo, e com volumes de som aproximadamente iguais, não conseguimos distinguir um som do outro. Isto é consequência do princípio de sobreposição.

Outro exemplo clássico, é quando, por defeito de filtragem ou outra falha técnica, duas ou mais estações de rádio emitam na mesma frequência. O receptor não consegue receber o sinal de cada uma delas, mas sim o sinais, sobrepostos um num outro. O resultado disso é ouvirmos duas emissoras ao mesmo tempo.

Sempre que isso acontece, dizemos que há interferência. Então, a interferência é um fenómeno muito comum na nossa vida, e ela ocorre devido ao princípio de sobreposição. Vamos analisar com mais detalhe a interferência electromagnética, com mais ênfase para a luz.

A interferência da luz já era observada há muito tempo apesar de não ser considerada de grande importância. Viu-se muitas vezes um quadro de interferência quando na infância se entretínhamos a soltar bolas de sabão ou observamos os tons irisados das películas finas de querosene ou petróleo à superfície da água. A bola de sabão, ao voltar do ar, reveste-se de todas as cores que existem nos objectos que a rodeia. É a interferência da luz que torna as bolas de sabão tão dignas de admiração.

Foi Thomas Young, cientista inglês que pela primeira vez teve a ideia genial de explicar as cores das películas finas através da soma das ondas, uma das quais é reflectida pela superfície exterior da película e outra pela interior.

No electromagnetismo aprendemos que quando dois ou mais campos eléctricos (ou magnéticos) se sobrepõem, então o campo eléctrico (ou magnético) resultante é igual a soma vectorial de cada um dos campos eléctricos (ou magnéticos) que actua nesta região. Este princípio é conhecido como princípio de sobreposição.

A interferência é um fenómeno tipicamente ondulatório que ocorre quando duas ou mais ondas passam pelo mesmo ponto no espaço no mesmo instante. Através do princípio de superposição, que vale tanto para ondas mecânicas, quanto para ondas eletromagnéticas: o deslocamento resultante é determinado somando-se os deslocamentos provocados pelas ondas individuais como se elas estivessem presentes sozinhas. O termo “deslocamento” tem sentido genérico: (1) no caso das ondas mecânicas, trata-se do deslocamento das partículas do meio em relação à posição de equilíbrio, (2) no caso das ondas eletromagnéticas, trata-se do valor dos vetores dos campos elétricos e magnéticos.

Podemos dizer que a interferência de duas ondas luminosas é a sobreposição de duas ou mais ondas, em consequência da qual se observa o reforço ou o enfraquecimento estável no tempo das oscilações luminosas resultantes em diversos pontos do espaço.

Vale recordar, que, a luz do princípio de independência dos raios luminosos, a sobreposição das ondas não provoca nenhuma transformação nas características das ondas no geral, ou seja, no ponto onde ocorre a sobreposição, é válido o princípio de sobreposição, mas nos pontos posteriores e anteriores, as ondas continuam os seus percursos como se a outra nunca tivesse existido. Vamos então centrar a nossa atenção no ponto de sobreposição.

A sobreposição de dois movimentos harmónicos simples de frequências diferentes, poderá produzir um movimento variado, com presença das duas harmónicas.

Figura 72: a) Sinal sinusoidal com frequência de {50Hz}, b) Sinal sinusoidal com frequência de {28Hz}, c) sinal resultante da soma do sinal a) com o sinal b).

Mas a soma de duas sinusoides com mesma frequência, vai produzir uma terceira sinusoide com frequência igual as duas primeiras.

Figura 73: a) Sinal sinusoidal com frequência de {50Hz}, b) Sinal sinusoidal com frequência de {28Hz}, c) sinal resultante da soma do sinal a) com o sinal b).

Podemos ver que a amplitude do sinal resultante da figura 73 não é exatamente igual á soma da amplitude dos dois sinais somados. À semelhança da soma entre vectores, a amplitude da soma de duas ondas harmónicas que se propagam no mesmo sentido não é igual à soma aritmética das duas amplitudes, ou seja, somando uma onda sinusoidal de amplitude de {100V/m} com outra também de {100V/m}, não dará necessariamente uma onda com amplitude de {200V/m}. O resultado depende da diferença de fase. Dependendo da diferença entre as fases das ondas, o resultado pode variar entre {0} e {200V/m}.

Os casos extremos desta sobreposição são dois:

  • Quando as ondas que se sobrepõem têm mesma fase, então a onda resultante amplitude máxima. No caso de duas onda de amplitude igual, a onda resultante terá amplitude igual ao dobro da amplitude cada. Esta interferência é denominada interferência construtiva.
  • Quando as ondas que interferem estão em oposição de fases, ou seja, têm um desfasamento de {180^0}, então, a onda resultante terá amplitude mínima. No caso de ondas com mesma amplitude, está amplitude será zero. Esta interferência é chamada de interferência destrutiva

Figura 74: a) Interferência construtiva, b) interferência destrutiva.

Podemos deduzir a equação da onda resultante da sobreposição e aí, ver em que condições ocorre a interferência. Considere que duas fontes que estejam sincronizadas uma com a outra e emitam ambas ondas com mesma frequência e fase {E_1(r,t)=E_0 \cdot \cos (\omega t-k \cdot r_1)} e {E_2(r,t)=E_0 \cdot \cos (\omega t-k \cdot r_2)} e que estas se encontrem num ponto qualquer {P}.

Figura 75: Interferência de fontes coerentes

Da sobreposição delas vai resultar uma onda {E_R(r,t)=E_1(r,t)+E_2(r,t)=E_0 \cdot \cos (\omega t-k \cdot r_1)+E_0 \cdot \cos (\omega t-k \cdot r_2)}. Factorizando {E_0}, teremos: {E_R(r,t)= E_0 \cdot ( \cos (\omega t-k \cdot r_1)+ \cos (\omega t-k \cdot r_2))}. Aplicando a fórmula do co-seno da soma, teremos: { E_R(r,t)= E_0 \cdot 2 \cdot ( \cos ( \frac{\omega t - k \cdot r_1 + \omega t - k \cdot r_2}{2})) \cdot (\cos ( \frac{ \omega t - k \cdot r_1 - \omega t + k \cdot r_2}{2}))}. A equação da onda resultante será:

\displaystyle E_R(r,t)= 2E_0 \cdot \cos (\omega t-\frac{k \cdot(r_1+r_2)}{2})\cdot \cos (\frac{k \cdot (r_2-r_1)}{2}) \ \ \ \ \ (82)

 

No ponto de sobreposição, o tipo de interferência obtido será construtiva ou destrutiva dependendo da fase com que as ondas chegam neste ponto. Quando a diferença de fase for {0} teremos interferência construtiva, e quando a diferença de fase for {180^0} teremos interferência destrutiva. Nas situações intermédias a estas. teremos também ondas com amplitudes intermédias.

A fase da onda ao chegar neste ponto, é por sua vez, dependente do caminho percorrido pela onda. Neste caso, podemos dizer de outro modo: a amplitude da onda resultante, no caso de duas fontes coerentes (em fase), vai depender da diferença de percurso { \vert r_2-r_1 \vert} das duas ondas. Sempre que {\vert r_2-r_1 \vert =m\cdot\lambda}, a interferência será construtiva e sempre que {\vert r_2-r_1 \vert =(2m-1)\cdot \frac{\lambda}{2}} a interferência será destrutiva.

No caso de fontes policromáticas emitindo ondas coerentes, o tipo de interferência não vai depender só da diferença de percurso, mas também do comprimento de onda, visto que cada raio tem um conjunto de ondas com vários comprimentos de onda, ocorrendo que, para um feixe policromático incidindo num material,haverá interferência de modos que algumas ondas façam interferência construtivas e outras façam interferência destrutiva, permitindo-nos ver cores diferentes da cor da luz que incidiu.

No exemplo da bolha de sabão, quando a luz branca incide numa película da bolha de sabão, algumas cores sofrem interferência construtiva e outras sofrem interferência destrutiva, resultando daí, que só observaremos o comprimento de onda médio das ondas que sofreram interferência construtiva.

Figura 76: Interferência na bolha de sabão.

Num local escuro, quando a luz incidente é monocromática, a interferência num obstáculo vai apresentar-se na forma de franjas ( ou riscas) claras e franjas escuras. As franjas claras correspondem aos pontos onde ocorre interferência construtiva (resultando num máximo de intensidade luminosa) e as franjas escuras ocorrem onde há interferência destrutiva (resultando em um mínimo de intensidade luminosa.

Figura 77: Franjas claras e escuras na interferência.

 

 

 

 

— Referências Bibliográficas —

[1] Lilia Coronato Courrol & André de Oliveira Preto. APOSTILA TEÓRICA: ÓPTICA TÉCNICA I, FATEC-SP , [s.d.].
[2] Jaime Frejlich. ÓPTICA: TRANSFORMAÇÃO DE FOURIER E PROCESSAMENTO DE IMAGENS, Universidade Federal de Campinas – SP, [2010].
[3] Sérgio C. Zilio. ÓPTICA MODERNA: FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES, [2010].
[4] Renan Schetino de Souza. ÓPTICA GEOMÉTRICA, [2012].
[5] Hugh D. Young & Roger Freedman. FÍSICA IV: ÓPTICA E FÍSICA MODERNA, [2009].
[6]Hugh D. Young & Roger Freedman. FÍSICA III: ELECTROMAGNETISMO, [2009].
[7] Julião de Sousa Leal. TRABALHO DE FIM DE CURSO: MANUAL DE ÓPTICA, FACULDADE DE CIÊNCIAS DA UNIVERSIDADE AGOSTINHO NETO, [s.d.]

Porquê ocorrem falhas na formação da imagem em lentes? Aberrações.

— 2.8. Erros e defeitos da formação da imagem em lentes. Aberrações —

As aberrações na realidade não são produzidas por defeitos de um sistema óptico. Elas ocorrem sim, pela não convergência dos raios para um único ponto imagem.

As superfícies esféricas só formam imagem na aproximação paraxial, isto é, para raios que incidam formando angulos muito pequenos com o eixo principal. Quando saímos da condição de validade desta aproximação começamos a observar muitas aberrações.

Podemos definir como aberração de um sistema óptico, todos os efeitos que atrapalham a formação de imagem (convergência perfeita dos raios). Assim, podemos dividir as aberrações em dois grupos: cromáticas e geométricas.

— 2.8.20. Aberrações cromáticas —

São as aberrações de uma lente, que vão surgir devido a dependência do índice de refracção com o comprimento de onda. Como já vimos em posts anteriores, a passagem da luz por material transparente depende na realidade do comprimento de onda deste raio luminoso. Dois raios Luminosos de diferentes CDOs passam de forma diferente num sistema óptico. Então, se um feixe policromático incide sobre uma lente, vai ocorrer este fenómeno, na qual os raios luminosos que atravessam a lente vão ser desviados de forma diferente em função do seu comprimento de onda. A diferença no desvio dos raios luminosos dá-se porque os materiais através dos quais a luz pode passar têm um índice de refração cujo valor é maior para comprimentos de onda menores (apresenta dispersão), aumentando do vermelho para o azul, o que faz desviar mais os raios luminosos, focando-os mais perto da lente e fazendo com que a imagem apresente manchas coloridas. A figura abaixo ilustra o fenómeno da aberração cromática em uma lente simples:

Figura 66: Fenómeno de aberração cromática

Com essa diferença de comportamento para cada cor, fica difícil fazer com que toda imagem seja focalizada no mesmo plano.

Figura 67: Imagem com e sem aberração cromática

Para corrigir este problema, utiliza-se a combinação de duas lentes, uma convergente o outra divergente, com vidros de diferentes índices de refração. Nas lentes menores elas são coladas uma à outra, mas em lentes maiores elas são apenas justapostas. Essas lentes recebem o nome de “lentes acromáticas”. [1]

Com lentes acromáticas consegue-se que pelo menos duas cores sejam focalizadas no mesmo plano e que apenas o verde fique ligeiramente deslocado, eliminando grande parte da incomoda aberração cromática. A correção da aberração cromática melhora muito a qualidade da imagem e, hoje em dia, praticamente todos os instrumentos de qualidade razoável possuem correção acromática. O que difere um do outro é o nível de correção que cada um oferece e que certamente está relacionada com o preço do instrumento.[1]

— 2.8.21. Aberrações Geométricas —

Excepto a aberração cromática, todos os outros tipos de aberrações são chamadas de aberrações geométricas. Para se descrever as aberrações geométricas, pode se recorre a diversas técnicas, desde a descrição da passagem real dos raios no sistema até a teoria das perturbações.

A forma de corrigi-las, entretanto, é sempre a mesma: aumentando o número de graus de liberdade através do uso de diversas lentes ao invés de uma só. Assim, balanceando-se as curvaturas das superfícies de cada lente e utilizando-se diferentes tipos de vidros ópticos podemos eliminar ou reduzir significativamente as aberrações geométricas. Entretanto, as aberrações geométricas são muito mais difíceis de se corrigir que as aberrações cromáticas, utilizando-se para isto sistemas com até dezenas de lentes. [1]

Aberração esférica:

Os raios luminosos provenientes de um objeto pontual são desviados de maneira diferente por uma lente ou espelho e não convergem apenas num ponto, o que provoca uma desfocagem da imagem obtida. Nos espelhos a aberração pode ser eliminada fazendo-se a superfície parabólica e não esférica. Nas lentes a aberração pode ser minimizada se ambas as superfícies (dióptros) da lente refratarem de igual forma os raios luminosos ou pode ser diminuída utilizando diafragmas que restrinjam os raios luminosos apenas à zona paraxial (central) da lente, mas que por outro lado diminuem a nitidez e a quantidade de luz proveniente da imagem.

Quando os raios luminosos provenientes de um ponto no eixo óptico passam pela região mais exterior da lente e são focados mais perto do que os raios que passam na zona paraxial da lente, a lente tem aberração esférica negativa. Quando os se dá o contrário a lente tem uma aberração positiva. No primeiro caso diz-se que a lente está subcorrigida e no segundo caso que está sobrecorrigida.

Figura 68: Exemplo de aberração esférica.[1]

Astigmatismo

Esta aberração, no caso de um sistema óptico sem outras aberrações, surge para pontos da imagem que estejam fora do eixo óptico, pois nessa situação o cone de raios que se pode traçar a partir desse ponto vai incidir na lente de um modo assimétrico o que faz com que sejam focados em pontos diferentes. Neste caso, as imagens fora do eixo principal, dificilmente apresentam-se focalizadas.

O astigmatismo é talvez o defeito mais frequentes da visão humana, devido a alterações na curvatura da córnea que a tornam assimétrica (por exemplo, os braços perpendiculares de uma cruz estão nitidamente representados em duas superfícies diferentes). George B. Airy, um astrônomo, utilizou em 1825 uma lente côncava, esférica numa direção e cilíndrica na direção perpendicular para reduzir o seu próprio astigmatismo óptico, sendo provavelmente a primeira vez que o astigmatismo foi compensado.

Figura 69: Exemplo de Astigmatismo.[1]

Coma:

Quando os raios de luz atingem a lente de modo oblíquo, o que acontece quando o objeto observado não está exatamente na área central do campo de visão, eles acabam não convergindo corretamente para o plano focal da lente e causam a coma. Esta aberração faz com que a imagem fique borrada quando próxima da borda do campo de visão e estrelas fiquem parecendo cometas.[1]

Distorção:

Aberração de uma lente, devido ao facto de que a distância focal varia radialmente a partir do centro a lente. Na ausência de qualquer outra aberração, a distorção manifesta-se por uma deformação da imagem como um todo, mas em que cada ponto da imagem é perfeito.

A distorção faz com que um objeto formado por linhas retas apareça na imagem como curvas, o que origina também a designação de distorção curvilínea. Na distorção negativa um objeto com a forma quadrada será deformado na forma de um barril porque a ampliação transversal diminui com a distância o que faz com que cada ponto da imagem se aproxime mais do centro quanto mais afastado estiver no objeto. Na distorção positiva um objeto com a forma quadrada será deformado na forma de uma almofada porque a ampliação transversal aumenta com a distância, o que faz com que cada ponto da imagem se afaste mais do centro quanto mais afastado estiver no objeto.

Figura 70: a)imagem normal; b) imagem com distorção negativa; c)imagem com distorção positiva.[1]

Se tiveres uma lupa, poderás facilmente observar a distorção. Se pegares um papel quadriculado qualquer, e observares a sua imagem pela lupa, conseguirás facilmente notar a distorção.

O conhecimento destes defeitos e erros na formação da imagem são importantes para que consigamos analisar as imagens formadas pelos sistemas ópticos, sem nos deixarmos enganar por estas “aberrações”.

 

 

— Referências Bibliográficas —

[1] Lilia Coronato Courrol & André de Oliveira Preto. APOSTILA TEÓRICA: ÓPTICA TÉCNICA I, FATEC-SP , [s.d.].
[2] Jaime Frejlich. ÓPTICA: TRANSFORMAÇÃO DE FOURIER E PROCESSAMENTO DE IMAGENS, Universidade Federal de Campinas – SP, [2010].
[3] Sérgio C. Zilio. ÓPTICA MODERNA: FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES, [2010].
[4] Renan Schetino de Souza. ÓPTICA GEOMÉTRICA, [2012].
[5] Hugh D. Young & Roger Freedman. FÍSICA IV: ÓPTICA E FÍSICA MODERNA, [2009].
[6]Hugh D. Young & Roger Freedman. FÍSICA III: ELECTROMAGNETISMO, [2009].
[7] Julião de Sousa Leal. TRABALHO DE FIM DE CURSO: MANUAL DE ÓPTICA, FACULDADE DE CIÊNCIAS DA UNIVERSIDADE AGOSTINHO NETO, [s.d.]

 

 

Como se forma a imagem na lupa, microsópio e telescópio?

— 2.7.19. Instrumentos ópticos principais —

Lupa (Microscópio simples)

Lupa, microscópio simples ou lente de aumento são nomes que uma lente convergente pode receber. Ela é, também, o instrumento óptico mais simples. É um instrumento óptico que serve para melhor observação dos objectos pequenos situados próximos de nós. Muitas vezes são usadas para leitura. Ela é normalmente uma lente convergente simples. O objecto a estudar {AB} fica no intervalo entre o foco objecto {F} e a lente.

Figura 62: Formação da imagem na lupa. [7]

A lente amplia este objecto numa imagem {A'B'} maior e de mesmo sentido que o objecto. A ampliação da imagem é simplesmente igual a:

\displaystyle k=-\frac{d'}{d} \ \ \ \ \ (78)

 

Microscópio Composto (Microscópio óptico)

O Microscópio óptico é um instrumento usado para ampliar, com uma série de lentes, estruturas pequenas impossíveis de visualizar a olho nu.

É constituído por um componente mecânico que suporta e permite controlar um sistema óptico que amplia as imagens.

Figura 63: Aspecto construtivo simples do microscópio composto. [1]

O sistema óptico é constituído por dois sistemas de lentes convergentes. A primeira lente que fica mais próxima do objecto é uma lente de distância focal da ordem de alguns milímetros e é denominada objectiva. A segunda lente de distância focal da ordem de alguns centímetros e é chamada ocular. Estas lentes são, geralmente, associadas coaxialmente (com o mesmo eixo óptico),

O esquema da constituição e da formação da imagem no microscópio é dado pela figura 64:

Figura 64: Esquema do sistema óptico do microscópio composto. [7]

O objecto a observar {AB} é colocado da Lamina, que fica próxima do foco da objectiva {L_1}. Os raios incidentes deste objecto formarão a imagem real {A_1B_1}, já ampliada, num ponto situado entre o foco objecto da ocular e a ocular. Esta imagem real será o objecto real para a ocular, que, devido a sua posição, formará a imagem virtual ampliada {A'B'}, num ponto situado a uma distância da ocular aproximadamente igual á distância de melhor visão ({d_2'\approx 25 cm}).

Assim, a ocular actua como uma lupa, ampliando a imagem fornecida pela objectiva, que já era ampliada em relação ao objecto.

A ampliação da imagem final em relação ao objecto é definida como sendo igual a:

\displaystyle k=\frac{A'B'}{AB} \ \ \ \ \ (79)

 

É claro que: {k=\frac{A'B'}{AB}=\frac{A'B'}{A_1B_1}\cdot\frac{A_1B_1}{AB}= k_1 \cdot k_2} em que {k_1} e {k_2} são respectivamente as ampliações produzidas pela objectiva {L1} e a ocular {L2}: {k_2= \frac{A'B'}{A_1B_1}} e {k_1=\frac{A_1B_1}{AB}}

Os aumentos dos microscópios variam entre {300} e {2.000} vezes. Não pode ser maior que estes valores porque quando as dimensões, a serem observadas, forem da ordem do comprimento de luz, ocorre o fenómeno da difração (de que iremos falar em secções adiantes), fazendo com que se perca a nitidez da imagem.

Existem, entretanto, muitas estruturas que possuem tamanhos inferiores que {4000\cdot10^{-10} m}, como as moléculas complexas que formam a matéria viva. Para tornar possível a observação dessas estruturas, os cientistas criaram um aparelho, denominado ? microscópio electrónico?, que utiliza feixes de electrões (em vez de feixes luminosos) para formar a imagem daquelas minúsculas estruturas. Esses feixes de electrões são focalizados (desviados) por dispositivos que criam campos eléctricos ou magnéticos, que funcionam como uma espécie de lente. Os microscópios electrónicos produzem aumentos superiores a {100.000} vezes.

Telescópio e Luneta

A luneta é um instrumento óptico utilizado para a observação de objectos a grandes distâncias do sistema óptico. De modo análogo ao microscópio, são utilizadas duas lentes convergentes, a objectiva e a ocular. No caso da luneta, os raios paralelos provenientes de um astro são focados no foco imagem {F_1'} da objectiva. A segunda lente, a ocular, amplia a imagem anterior para imagem final.

Figura 65: Esquema do sistema óptico da luneta. [7]

A ampliação da luneta é definida pela razão entre o ângulo de visão através da luneta {\beta} e o ângulo de visão directa {\alpha}:

\displaystyle G=\frac{\beta}{\alpha} \ \ \ \ \ (80)

 

O aumento visual de um luneta depende das condições de observação da imagem. Em condições usuais, o aumento visual é expresso pela relação entre as distâncias focais da objetiva ({f_1}) e da ocular ({f_2}):

\displaystyle G=\frac{f_1}{f_2} \ \ \ \ \ (81)

 

O inconveniente da utilização da luneta astronómica para observar objetos na Terra é que a imagem é invertida. As denominadas lunetas terrestres são adaptadas para tornar a imagem final directa. O modo de proceder à inversão da imagem é variável. Havendo então diversos tipos de lunetas terrestres.

Os telescópios diferem das lunetas pela substituição da lente objetiva por um espelho parabólico côncavo. A vantagem desses é que os espelhos parabólicos apresentam menos defeitos (aberrações) que as lentes. Por isso, os grandes observatórios preferem, na atualidade, utilizar telescópios em vez de lunetas. Por vezes a luneta é denominada telescópio de refração, reservando-se em termo de telescópio de reflexão para o telescópio propriamente dito.

 

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— Referências Bibliográficas —

[1] Lilia Coronato Courrol & André de Oliveira Preto. APOSTILA TEÓRICA: ÓPTICA TÉCNICA I, FATEC-SP , [s.d.].
[2] Jaime Frejlich. ÓPTICA: TRANSFORMAÇÃO DE FOURIER E PROCESSAMENTO DE IMAGENS, Universidade Federal de Campinas – SP, [2010].
[3] Sérgio C. Zilio. ÓPTICA MODERNA: FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES, [2010].
[4] Renan Schetino de Souza. ÓPTICA GEOMÉTRICA, [2012].
[5] Hugh D. Young & Roger Freedman. FÍSICA IV: ÓPTICA E FÍSICA MODERNA, [2009].
[6]Hugh D. Young & Roger Freedman. FÍSICA III: ELECTROMAGNETISMO, [2009].
[7] Julião de Sousa Leal. TRABALHO DE FIM DE CURSO: MANUAL DE ÓPTICA, FACULDADE DE CIÊNCIAS DA UNIVERSIDADE AGOSTINHO NETO, [s.d.]

 

Como saber a distância focal de uma lente?

— 2.7.18. Equação da Lente —

Quando fabricamos uma lente, o índice de refração do material e os parâmetros da superfície que limitam a lente devem ser escolhidos adequadamente para que a lente tenha uma distância focal apropriada. Para entendermos isto, temos de perceber como estão relacionados estes parâmetros.

Vamos considerar uma lente côncavo-convexa (veja figura 62).

Figura 62: Dedução da fórmula da lente. [5] Adaptado

Considere o objecto {PQ} que está a uma distância {d_1} da lente. A refração dos seus raios na superfície convexa com centro {C_1} formará a imagem {P'Q'}. Como os índices de refração dos meios são {n_a} e {n_b}, pela formula 58 da refração numa superfície esférica, a relação entre os parâmetros de {PQ} e {P'Q'} será:

\displaystyle \frac{n_a}{ d_1 } + \frac{n_b}{ d_1' } =\frac{n_b-n_a}{ R_1 } \ \ \ \ \ (69)

 

A imagem {P'Q'} é o objecto virtual para a refracção na segunda superfície, com centro em {C_2} e raio {R_2}. Portanto, de acordo com a formação da imagem na refração numa superfície esférica, obteremos:

\displaystyle \frac{n_b}{ d_2 } + \frac{n_c}{ d_2' } =\frac{n_c-n_b}{ R_2 } \ \ \ \ \ (70)

 

Como o meio exterior é o ar, então {n_a=n_c=1} e como o meio {b} é a lente então {n_b=n}. A distância {d_2} é igual, em modulo, a {d_1'}, mas com sinais opostos, visto que a imagem {P'Q'} é real ({d_1'}>0), e esta mesma imagem é o objecto virtual para a segunda superfície ({d_2<0}). Neste caso, {d_2=-d_1'}, logo, as relações 69 e 70 ficam :

\displaystyle \frac{1}{ d_1 } + \frac{n}{ d_1' } =\frac{n-1}{ R_1 } \ \ \ \ \ (71)

 

\displaystyle -\frac{n}{ d_1 } + \frac{1}{ d_2' } =\frac{1-n}{ R_2 } \ \ \ \ \ (72)

 

Se somarmos as equações 71 e 72, obteremos:

\displaystyle \frac{1}{ d_1 } + \frac{1}{ d_2' } =\frac{n-1}{ R_1 }+\frac{1-n}{ R_2 } \ \ \ \ \ (73)

 

Organizando melhor a equação, obtemos:

\displaystyle \frac{1}{ d_1 } + \frac{1}{ d_2' } =(n-1)\cdot(\frac{1}{ R_1 }-\frac{1}{ R_2 }) \ \ \ \ \ (74)

 

Considerando a lente delgada, então {t\rightarrow 0}, logo {d_1} representa a distância entre o objecto e a lente, chamada de distância do objecto ({d}) e {d_2'} representa a distância entre a imagem e a lente, chamada de distância da imagem ({d'}). A relação 74 pode então ser escrita por:

\displaystyle \frac{1}{ d } + \frac{1}{ d' } =(n-1)\cdot(\frac{1}{ R_1 }-\frac{1}{ R_2 }) \ \ \ \ \ (75)

 

Se substituirmos os valores da equação de pontos conjugado (equação 67) nesta equação, obtemos:

\displaystyle \frac{1}{ f } =(n-1)\cdot(\frac{1}{ R_1 }-\frac{1}{ R_2 }) \ \ \ \ \ (76)

 

A equação 76 foi deduzida para o caso de uma lente em particular, sendo a superfície de raio {R_1} convexa e a superfície de raio {R_2} côncava. Mas, de modo geral, adoptando a convenção de sinais apropriada, podemos escrever uma formula válida para qualquer situação:

\displaystyle \frac{1}{ f } =(n_{21}-1)\cdot(\frac{1}{ R_1 }+\frac{1}{ R_2 }) \ \ \ \ \ (77)

 

Onde: {n_{21}} é o índice de refração relativo do material de que é feito a lente em relação ao material que constitui o exterior (geralmente, o ar).

A convenção de sinais válida, continua sendo :

  • Se o objecto é real, {d>0}.
  • Se o objecto é virtual, {d<0}.
  • Se a imagem é real, {d'>0}.
  • Se a imagem é virtual, {d'<0}.
  • Se a superfície é convexa, então {R>0}.
  • Se a superfície é côncava, então {R<0}.
  • Se a lente é convergente, então {f>0}.
  • Se a lente é divergente, então {f<0}.

A dedução desta fórmula baseou-se na utilização de raios paraxiais, ou seja, raios que incidem quase que paralelamente ao eixo óptico da lente, formando com este ângulos muito pequenos. Porém, para raios que não seja paraxiais, isto é, para imagens que não estejam perto do eixo óptico da lente, o foco pode ficar numa posição diferente da calculada pela relação 77, observando-se nestes casos muitas aberrações cromáticas.

Para o caso é que o meio exterior seja mais denso do que o material de que é feito a lente, as lentes apresentam um comportamento muito curioso: A lente aparentemente convergente (que a espessura diminui do centro aos bordos) comporta-se como divergente e as lentes aparentemente divergentes (que a espessura aumenta do centro aos bordos) comportam-se como convergente. Isto pode ser explicado pela relação 77, mas deixaremos esta análise para que você a faça.

 

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— Referências Bibliográficas —

[1] Lilia Coronato Courrol & André de Oliveira Preto. APOSTILA TEÓRICA: ÓPTICA TÉCNICA I, FATEC-SP , [s.d.].
[2] Jaime Frejlich. ÓPTICA: TRANSFORMAÇÃO DE FOURIER E PROCESSAMENTO DE IMAGENS, Universidade Federal de Campinas – SP, [2010].
[3] Sérgio C. Zilio. ÓPTICA MODERNA: FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES, [2010].
[4] Renan Schetino de Souza. ÓPTICA GEOMÉTRICA, [2012].
[5] Hugh D. Young & Roger Freedman. FÍSICA IV: ÓPTICA E FÍSICA MODERNA, [2009].
[6]Hugh D. Young & Roger Freedman. FÍSICA III: ELECTROMAGNETISMO, [2009].
[7] Julião de Sousa Leal. TRABALHO DE FIM DE CURSO: MANUAL DE ÓPTICA, FACULDADE DE CIÊNCIAS DA UNIVERSIDADE AGOSTINHO NETO, [s.d.]

 

Como se forma a imagem numa lente?

— 2.7.17. Obtenção da imagem de uma lente. Relação objecto-imagem para lente delgada —

Quando observamos a imagem de um objecto atravessar de uma lupa ou luneta, por exemplo, a imagem observada poderá ser maior ou menor do que o tamanho real do objecto. Na realidade, ao movimentarmos esta lente para frente ou para trás, observamos que o tamanho da imagem muda. Esta mudança de tamanho da imagem está associada à três parâmetros principais: distância da lente ao objecto {d}, distância da lente á imagem {d'} e distância focal da lente {f}. Isto é válido para qualquer lente.

Tudo pode ser entendido, se compreendermos como os raios de luz passam pela lente e como se forma a sua imagem.

Como já vimos, qualquer raio que incida paralelamente ao eixo principal de uma lente convergente, ao emergir dela, passará pelo foco imagem. Usando o princípio de reversibilidade dos raios luminosos, descrito em secções anteriores, podemos afirmar que qualquer raio que incida passando pelo foco objecto, ao emergir da lente, sairá paralelo ao eixo principal. Um raio que incida no centro da lente, passará por ela sem desvio (veja figura 60). Para se formar a imagem de um ponto {Q}, devemos traçar ao menos dois raios que incidam na lente vindos do ponto {Q}. Os raios escolhidos devem ser aqueles cujo raio emergente correspondente já conhecemos. No exemplo, usa-se o raio que incide paralelamente ao eixo principal e o raio que incide passando pelo centro. Após escolhermos estes raios, representamos os raios emergentes correspondentes. Onde os raios emergentes se cruzarem, aí é a imagem real do ponto {Q} que é designado {Q'}. Quando os raios emergentes não se cruzam, para encontrar a imagem procede-se ao prolongamento dos raios emergentes. A intercessão destes prolongamentos será então a imagem virtual {Q'} do ponto {Q}.

Figura 60: Formação da imagem de um objecto numa lente convergente. [5] Adaptado

Para obter a imagem de um objecto extenso {PQ}, é apenas necessário obter a imagem de um conjunto de pontos suficientemente representativo deste objecto. No exemplo se obteve a imagem de dois ponto {P} e {Q}.

O número de ponto a escolher variam de acordo com a complexidade do objecto a analisar.

No caso de formação de imagem de um objecto atravessar de uma lente divergente, o procedimento é idêntico, mas devemos recordar que na lente divergente, o raio que incide paralelamente ao eixo principal, após refratar-se na lente, emerge como se tivesse vindo do foco imagem, e o raio que incide na lente, mas apontado para o foco objecto, após refratar-se, emerge paralelamente ao eixo principal. O raio que incide passando pelo centro de uma lente divergente, tal como na lente convergente, passa sem desvio.

Podemos generalizar algumas situações importantes de formação da imagem. Para lentes convergentes:

  • Quando a distância do objecto real à lente ({d}) é maior que o dobro da distância focal ({d>2f}). Características da imagem: real, invertida em relação ao objecto, menor que o objecto e está situada numa distância superior a distância focal, ou seja, depois do foco imagem {F'}.
  • Quando o objecto está situado entre o foco objecto {F} e o dobro da distância focal ({f<d< 2f}). Características da imagem: real, invertida em relação ao objecto, maior que o objecto e está situada numa distância superior ao dobro da distância focal,tambem depois do foco imagem {F'}.
  • Quando o objecto está situado no plano focal objecto ({d = f}). Neste caso os raios refratados são paralelos e a imagem forma-se no infinito.
  • Quando o objecto está situado entre o centro óptico {0} e o foco objecto {F}. Características da imagem: virtual, direita em relação ao objecto e maior que o objecto.

Para lentes divergentes:

  • Para qualquer situação, as características da imagem são: sempre virtual, direita em relação ao objecto e menor que o objecto.

A equação das lentes delgadas (equação de Gauss) relaciona entre si as grandezas seguintes: a distância {d} do objecto à lente, a distância {d'} da imagem à lente e a distância focal {f} da lente. A equação pode ser deduzida da figura 60.

Os ângulos para os triângulos rectângulos {OPQ} e {OPQ'} são iguais. Logo a sua tangente é {\tan \alpha = \frac{y}{d}=-\frac{y'}{d'}}. o sinal negativo deve-se ao facto de a imagem ser invertida. Neste poderemos obter:

\displaystyle \frac{y'}{y}=-\frac{d'}{d} \ \ \ \ \ (65)

 

De modo análogo, no triângulos rectângulos {OAF'} e {F'PQ}, o ângulo {\beta} é igual. Então: {\tan \beta= \frac{y}{f}=-\frac{y'}{d'-f}}. Isto nos dá:

\displaystyle \frac{y'}{y}=-\frac{d'-f}{f} \ \ \ \ \ (66)

 

Igualando as equações 65 e 66, separando a fracção, simplificando e isolando a fracção {\frac{1}{f}}, fica:

\displaystyle \frac{1}{f}=\frac{1}{d}+\frac{1}{d'} \ \ \ \ \ (67)

 

Esta é a equação que relaciona as distâncias do objecto e da imagem em relação a lente com a sua distância focal.

A partir da relação 65 obtemos a ampliação da imagem formada por uma lente:

\displaystyle k=-\frac{d'}{d} \ \ \ \ \ (68)

 

Estas relações são válidas que para lentes convergentes como para lentes divergentes, desde que se respeite a convenção de sinais.

Convenção de sinais:

  • Se o objecto é real, {d} é positiva: {d> 0}.
  • Se o objecto é virtual, {d} é negativa: {d <0}.
  • Se a imagem é real, {d'} é positiva: {d'> 0 }.
  • Se a imagem é virtual, {d'} é negativa: {d' <0}.
  • Se a lente é convergente, {f } é positiva: {f> 0}
  • Se a lente é divergente, {f } é negativa: {f <0}

Portanto, {d} e {d'} podem ser positivas ou negativas dependendo do facto do objecto e da imagem serem reais ou virtuais.

A ampliação é positiva se a imagem é direita (quer dizer do mesmo sentido que o objecto) e, negativa se a imagem é invertida (quer dizer, de sentido contrário ao objecto).

 

— Referências Bibliográficas —

[1] Lilia Coronato Courrol & André de Oliveira Preto. APOSTILA TEÓRICA: ÓPTICA TÉCNICA I, FATEC-SP , [s.d.].
[2] Jaime Frejlich. ÓPTICA: TRANSFORMAÇÃO DE FOURIER E PROCESSAMENTO DE IMAGENS, Universidade Federal de Campinas – SP, [2010].
[3] Sérgio C. Zilio. ÓPTICA MODERNA: FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES, [2010].
[4] Renan Schetino de Souza. ÓPTICA GEOMÉTRICA, [2012].
[5] Hugh D. Young & Roger Freedman. FÍSICA IV: ÓPTICA E FÍSICA MODERNA, [2009].
[6]Hugh D. Young & Roger Freedman. FÍSICA III: ELECTROMAGNETISMO, [2009].
[7] Julião de Sousa Leal. TRABALHO DE FIM DE CURSO: MANUAL DE ÓPTICA, FACULDADE DE CIÊNCIAS DA UNIVERSIDADE AGOSTINHO NETO, [s.d.]

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