A óptica é o ramo da física que se dedica ao estudo de fenômenos relacionados à luz. Ela se divide em óptica geométrica e a óptica física, a depender do comportamento da luz.
A óptica geométrica estuda a propagação da luz através dos raios, analisando os fenômenos de reflexão e refração, os espelhos e as lentes, e a propagação retilínea da luz.
A óptica física ou óptica quântica se dedica ao estudo da luz em forma de ondas, analisando os fenômenos de composição, emissão, absorção, polarização, difração e interferência da luz.
Já a óptica ondulatória considera a luz como onda plana e através do estudo de difração e interferência, considera a frequência da luz e o comprimento da onda.
A óptica eletromagnética explica reflexão e transmissão a partir do entendimento da luz como uma onda eletromagnética.
Esse ramo da física começou se desenvolver a partir dos estudos do cientista Galileu Galilei, por volta do século XVI. Posteriormente, outros cientistas contribuíram para o avanço dos estudos da área. René Descartes, Christiaan Huygens e Isaac Newton.
Conceitos básicos de óptica
Raios de luz
Trata-se da representação geométrica da trajetória da luz que indica sua direção e o sentido de sua propagação.
Feixe de luz
O feixe é um conjuntos de raios de luz. O feixe de luz se divide em três tipos:
- Cônico convergente: quando os raios de luz que o compõe convergem para um ponto;
- Cônico divergente: quando os raios de luz que o compõe divergem a partir de um ponto;
- Cilíndrico paralelo: quando os raios de luz que o compõe são paralelos entre si.
Fontes de luz
As fontes de luz são os corpos que podem emitir luz. As fontes de luz podem ser primárias ou secundárias.
- Fontes primárias: as fontes primárias são chamadas de corpos luminosos, pois emitem luz própria. Exemplo: o Sol
- Fontes secundárias: as fontes secundárias são chamadas de corpos iluminados, pois emitem a luz que recebem de outras fontes. Exemplo: a Lua.
Em relação às dimensões, as fontes de luz podem ser pontual ou puntiforme, quando suas dimensões são desprezíveis em relação ao ambiente iluminado; ou extensa, quando suas dimensões são consideráveis em relação ao ambiente.
Princípios fundamentais da óptica
Para uma correta compreensão da óptica, é necessário entender alguns conceitos e princípios abordados por ela. Alguns princípios fundamentais da óptica são:
Princípio da Propagação Retilínea – esse princípio diz que em meios homogêneos e transparentes, a luz sempre irá se propagar em linha reta.
Princípio da Independência de Raios de Luz – de acordo com esse princípio, quando os raios ou feixes de luz se cruzam, eles continuam sua trajetória individualmente, de modo que um raio não ocasionando nenhuma mudança em relação ao outro.
Princípio da Reversibilidade da Luz – esse princípio entende a luz como reversível, de modo que os raios de luz sempre são capazes de fazer o caminho na direção inversa. Ou seja, de acordo com esse princípio a trajetória seguida pelo raio de luz, em um sentido, é a mesma quando o raio muda o sentido do percurso.
Meios de propagação da luz
A luz é uma onda eletromagnética que se propaga no vácuo com uma velocidade de 300.000 km/s. Quando se trata da matéria, a propagação depende de características do meio material como densidade, espessura e composição.
Ao incidirem sobre uma superfície, os raios de luz podem ser refletidos regular ou difusamente e, ainda, podem ser refratados ou absorvidos pelo meio que incide.
Quando um feixe de luz incide em uma superfície, refletindo de forma cilíndrica, ocorre uma reflexão regular. Já na reflexão difusa, os feixes de luz são refletidos em todas as direções.
À medida que os raios de luz mudam de velocidade e de direção, passando de um meio para outro, ocorre a refração.
Já a absorção ocorre em superfícies que absorvem a que é incidida.
A luz pode ser propagada em três diferentes tipos de meios:
- Transparentes – os meios transparentes permitem a passagem dos feixes de luz, possibilitando a visão dos corpos com nitidez. Exemplo: vidro polido.
- Translúcidos – os meios translúcidos possibilitam a propagação da luz, no entanto, ela se propaga de maneira desordenada de modo que os corpos são vistos sem nitidez. Exemplo: vidro fosco.
- Opacos –
os meios opacos impedem completamente a passagem da luz, impossibilitando a visão de corpos através deles. Exemplo: porta de madeira.
Algumas fórmulas utilizadas em óptica
Algumas fórmulas são necessárias para compreender os fenômenos ópticos. De acordo com a propagação da luz, é possível utilizar as seguintes equações:
Lei da refração
Onde:
Índice de refração
Onde:
Lei de Snell-Descartes
Onde:
Índice relativo de refração entre dois meios
Onde:
Óptica no dia a dia
A óptica está presente em diversas situações do dia a dia tanto em fenômenos naturais, como o arco-íris, por exemplo, como em aplicações em objetos como câmeras fotográficas e filmadoras.
Além disso, a óptica é utilizada na biologia e na medicina. Por exemplo, através da óptica é possível explicar o funcionamento do olho humano.
Outras aplicações da óptica no dia a dia são:
- Em aparelhos usados para corrigir defeitos visuais, como os óculos e lentes de contato;
- Em aparelhos utilizados para observação, como os microscópios, telescópios e lunetas;
- Em espelhos.