Introdução à óptica: entenda os principais conceitos

A óptica é uma das grandes áreas da Física, usualmente dividida de maneira didática em óptica física e óptica geométrica. Essa área ocupa o top 5 de Física no Enem e também é destaque em vestibulares, como o da Universidade Estadual Paulista (Unesp). A seguir, você terá uma introdução à óptica e vai entender os principais conceitos, fundamentos e como eles são cobrados no Exame Nacional do Ensino Médio e nos vestibulares!

O que estudamos em introdução à óptica?

Quando falamos em óptica, a luz é a grande protagonista: é ela que nos permite enxergar, reconhecer cores, forma as imagens em espelhos e proporciona fenômenos belíssimos, como eclipses e arco-íris.

A óptica física foca na natureza da luz e em seus fenômenos a partir disso. Já a óptica geométrica estuda a propagação da luz a partir do conceito de raio de luz. É um estudo bastante geométrico, com diversas aplicações práticas, tais como espelhos e lentes.

Estudar óptica significa estudar a luz e seu comportamento. Para essa introdução à óptica, precisamos primeiramente compreender o que é a luz.

A natureza da luz

Essa é uma questão que intrigou a humanidade por séculos. Muitos defendiam que a luz tem natureza corpuscular, ou seja, é formada por pequenas partículas. Era o caso de Isaac Newton, por exemplo. Outros, como Christiaan Huygens, acreditavam que a luz era um tipo de onda.

Pode parecer uma questão simples, mas não é! Afinal, há situações em que a luz tem comportamento de onda, como nos fenômenos ondulatórios, mas há situações em que ela age como partícula, que é o caso do efeito fotoelétrico.

Com o desenvolvimento da mecânica quântica, no começo do século 20, entendemos a dualidade onda-partícula, comportamento em que a luz (e até mesmo corpos que possuem massa) se comporta como onda ou como partícula.

Essas diferenças se manifestam de acordo com o fenômeno, não aparecendo ao mesmo tempo.

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Espectro eletromagnético

Em seu comportamento ondulatório, a luz é uma onda eletromagnética, ou seja, se propaga através de campos elétricos e magnéticos, podendo até mesmo se propagar no vácuo.

O que chamamos de luz visível é o conjunto de ondas que, chegando aos nossos olhos, é interpretado pelo cérebro como visão. Em outras palavras, são as ondas eletromagnéticas que conseguimos enxergar.

Toda a luz que conseguimos enxergar se organiza no espectro de luz visível, que ordena os tipos de luz de acordo com sua frequência e com seu comprimento de onda.

Na imagem abaixo, da esquerda para a direita, temos uma ordem decrescente do comprimento de onda (e, consequentemente, crescente de frequência):

Observe que o espectro de luz visível é dividido em sete faixas de cores: vermelho, alaranjado, amarelo, verde, azul, anil e violeta. Ondas com frequências menores que a do vermelho ou maiores que a do violeta estão fora da faixa visível, ou seja, não podemos enxergar.

O espectro visível está dentro de uma enorme faixa de ondas eletromagnéticas, também organizada de acordo com frequência e com comprimento de onda no espectro eletromagnético:

Veja que, em ordem crescente de frequência, o espectro é dividido nos seguintes tipos de onda: rádio, micro-ondas, infravermelho, luz visível (que abrange todo o espectro visível que aprendemos), ultravioleta, raios X, e raios gama.

Se você gosta de macetes, aqui vai um para lembrar dessa ordem: RaMILUXγ.

A velocidade da luz

Você já deve ter ouvido falar sobre a velocidade da luz, certo? Mas por que ela é tão importante?

No vácuo, todas as ondas eletromagnéticas têm a mesma velocidade: aproximadamente 300.000.000 m/s (3 · 10⁸ m/s). Esse é um valor constante, representado pela letra c, e é conhecido como velocidade da luz no vácuo. É simplesmente a maior velocidade possível no universo!

Um dos postulados da teoria da relatividade de Einstein diz que c é constante para qualquer referencial inercial.

Conceitos gerais da óptica

Agora que temos familiaridade com a luz, precisamos aprender sobre outros conceitos importantes para a introdução à óptica, sobretudo para a óptica geométrica.

Fontes de luz

Fontes de luz são corpos que emitem luz, que podemos classificar em dois tipos:

• fonte de luz primária
  É um corpo que tem luz própria, ou seja, que produz a luz que está emitindo. Se você está lendo isso por uma tela de dispositivo eletrônico, essa tela é uma fonte de luz primária.
• fonte de luz secundária
  Nesse caso, o corpo não tem luz própria, pois reflete a luz emitida por alguma outra fonte. Caso você esteja lendo isso por uma folha de papel, ela se comporta como uma fonte de luz secundária, pois a luz que chega aos seus olhos não foi produzida pela folha, apenas refletida por ela.

Raios de luz

Raio de luz é uma ferramenta abstrata que usamos para representar a direção e o sentido com que a luz se propaga em um meio. Representamos esses raios como segmentos de retas orientados, mas eles não são vetores, apenas representações geométricas para trabalhar com a luz. Utilizamos bastante na óptica geométrica.

Feixes de luz

Correspondem a um conjunto de raios que emanam de uma mesma fonte e com um ângulo de abertura relativamente grande. Veja alguns tipos bem comuns de feixes de luz:

• paralelo/cilíndrico
  Os raios são paralelos entre si

• convergente
  Os raios convergem, ou seja, estão direcionados para um mesmo ponto

• divergente
  Os raios divergem, ou seja, emanam de um mesmo ponto

Meios de propagação

A forma como a luz se propaga depende do meio onde ela se encontra. Falamos de três tipos de meio:

• transparente
  Nesses meios, a luz se propaga de maneira regular e bem definida. É o caso do ar e de uma camada fina de vidro, por exemplo. O meio mais transparente de todos é o vácuo.
• translúcido
  A luz se propaga de forma irregular. Sabe aqueles boxes de banheiro em que conseguimos ver o que há do outro lado, mas com pouquíssimos detalhes? São exemplos de meios translúcidos.
• opaco
  Já nesse tipo de meio, a luz não se propaga, como ocorre em uma parede de concreto.

Os 3 princípios da óptica geométrica

Esses princípios são as "regras do jogo" para trabalharmos com todas as situações envolvendo óptica geométrica. Dessa forma, é muito importante compreendê-los bem no contexto da introdução à óptica.

• Princípio da independência dos raios de luz
  Cada raio de luz se propaga como se fosse único, ou seja, dois ou mais raios podem se cruzar, pois um não perturba a propagação do outro.
• princípio da reversibilidade dos raios de luz
  Nas mesmas condições, a trajetória do raio de luz independe do sentido de propagação. Um exemplo comum disso ocorre quanto o motorista de um carro e o passageiro, sentado no banco de trás, conseguem ver os olhos um do outro.
  Esse princípio será muito importante quando você for estudar os raios notáveis, que são usados no estudo de espelhos esféricos e de lentes.
• princípio da propagação retilínea dos raios de luz
  Em meios transparentes e homogêneos, os raios de luz se propagam em linha reta.

Cores

Afinal, por que enxergamos diferentes cores nos objetos? A forma com que alguém enxerga a cor de um objeto depende da maneira como a luz interage com ele.

Você lembra do espectro de luz visível? A luz branca integra todas as frequências visíveis, do vermelho ao violeta. Experiências com prismas, como na capa do álbum The dark side of the moon, da banda inglesa Pink Floyd, bem como o arco-íris, são fenômenos que demonstram a decomposição da luz branca solar em suas diversas cores.

Quando um objeto é iluminado por luz branca, parte da luz é absorvida e outra parte é refletida, ou seja, retorna ao meio onde se propagava.

É a parte refletida que caracteriza a cor que enxergamos nesse objeto: se uma bola absorve boa parte da luz branca e reflete a cor vermelha, significa que enxergaremos essa bola na cor vermelha.

No caso de um objeto que reflete todas as cores, ele será visto por nós como branco. Já quando ele absorve todas as cores, será visto por nós como preto.

Mas e se iluminarmos um objeto com luz que não seja branca? Afinal, a luz branca possui todas as cores, mas uma luz monocromática, como luz vermelha, não possui!

Imagine aquela mesma bola vermelha: se a iluminarmos com luz vermelha, ela refletirá toda a luz incidente, ou seja, também a veremos na cor vermelha.

No entanto, se iluminarmos a bola vermelha com luz verde, ela vai absorver toda a luz, então a enxergaremos como se fosse preta.

Nem sempre um corpo reflete apenas um tipo de luz. Um objeto amarelo na luz branca, por exemplo, pode aparecer vermelho quando for iluminado por luz dessa cor.

Se quiser saber mais sobre cores e luz, veja nosso post explicando por que o céu é azul!

O sistema RGB

É um sistema de cores das quais, ao misturarmos as luzes, podemos obter outras cores. RGB significa red-green-blue (do inglês, vermelho-verde-azul), que são as cores primárias aditivas. Isso significa que, misturando luzes dessas cores, podemos obter as outras cores do espectro visível.

Combinações das cores primárias resultam em outras cores: azul + verde = ciano. Vermelho + azul = magenta. Verde + vermelho = amarelo. Vermelho + verde + azul = branco.

Telas de aparelhos eletrônicos, como o que você está usando para ler essa matéria, produzem cores a partir do RGB. Combinações de diferentes proporções das cores primárias formam todas as cores possíveis que aparecem na sua tela.

Subjetividade das cores

É muito importante reforçar, entretanto, que, apesar de conseguirmos entender melhor as cores com conceitos de óptica, cor é uma experiência fisiológica e subjetiva! É uma maneira de o cérebro interpretar a forma como nossos olhos recebem a luz. Diferentes pessoas, bem como diferentes animais, podem enxergar cores de formas distintas.

Você sabia que as cores que enxergamos podem nos enganar? Por exemplo: qual cor você enxerga no retângulo abaixo?

É bem possível que você não tenha dúvida alguma de que esse retângulo é amarelo, certo? Nenhuma luz que sai da figura, no entanto, tem frequência dentro da faixa da cor amarela no espectro visível! Por que, então, enxergamos a cor amarela?

Vimos que a tela do seu dispositivo funciona com o sistema RGB, o que significa que combinações de vermelho, verde e azul formam toda a matiz de cores que você vê enquanto navega. Como não há emissão da luz associada à cor amarela, todo o amarelo que enxergamos é resultado das combinações de luzes vermelhas e verdes.

Faça um experimento (com muito cuidado para não danificar o aparelho): coloque uma pequena gota de água sobre a tela, bem acima do retângulo amarelo. Olhando de perto, você verá minúsculas luzes vermelhas e verdes.

Fazendo a mesma coisa com um fundo branco, você enxergará pequenas luzes nas cores do RGB, que, combinadas, formam a cor branca.

Isso tudo nos mostra que é equivocado associar cores apenas às suas correspondentes frequências no espectro visível.

Como a introdução à óptica é cobrada no Enem e nos vestibulares

Tudo o que aprendemos até agora sobre introdução à óptica é importantíssimo não somente por fornecer as ferramentas essenciais para entender o restante da óptica, mas porque muitas questões abordam exatamente esses conceitos fundamentais.

No Enem, por exemplo, a maioria das questões dessa área são sobre introdução à óptica.

Exemplo de exercício - Natureza da luz

(Enem) Quando se considera a extrema velocidade com que a luz se espalha por todos os lados e que, quando vêm de diferentes lugares, mesmo totalmente opostos, os raios luminosos se atravessam uns aos outros sem se atrapalharem, compreende-se que, quando vemos um objeto luminoso, isso não poderia ocorrer pelo transporte de uma matéria que venha do objeto até nós, como uma flecha ou bala atravessa o ar; pois certamente isso repugna bastante a essas duas propriedades da luz, principalmente a última.

_{HUYGENS, C. in: MARTINS, R. A. Tratado sobre a luz, de Cristian Huygens. Caderno de História e Filosofia da Ciência, supl. 4, 1986.}

O texto contesta que concepção acerca do comportamento da luz?

a) O entendimento de que a luz precisa de um meio de propagação, difundido pelos defensores da existência do éter.

b) O modelo ondulatório para a luz, o qual considera a possibilidade de interferência entre feixes luminosos.    

c) O modelo corpuscular defendido por Newton, que descreve a luz como um feixe de partículas.    

d) A crença na velocidade infinita da luz, defendida pela maioria dos filósofos gregos.    

e) A ideia defendida pelos gregos de que a luz era produzida pelos olhos.    

Resposta: [C]
O texto de Huygens está contestando o fato de a luz ter natureza corpuscular a partir de comportamentos da luz que não poderiam ocorrer se ela fosse uma partícula. Sendo assim, ele está defendo a natureza ondulatória da luz. Como a contestação é ao modelo corpuscular, a alternativa correta é a C.

Exemplo de exercício - Cores

(Unicamp) O Teatro de Luz Negra, típico da República Tcheca, é um tipo de representação cênica caracterizada pelo uso do cenário escuro com uma iluminação estratégica dos objetos exibidos. No entanto, o termo Luz Negra é fisicamente incoerente, pois a coloração negra é justamente a ausência de luz. A luz branca é a composição de luz com vários comprimentos de onda e a cor de um corpo é dada pelo comprimento de onda da luz que ele predominantemente reflete. Assim, um quadro que apresente as cores azul e branca quando iluminado pela luz solar, ao ser iluminado por uma luz monocromática de comprimento de onda correspondente à cor amarela, apresentará, respectivamente, uma

a) amarela e branca.

b) negra e amarela.

c) azul e negra.

d) totalmente negra.

Resposta: [B]
Iluminado pela luz branca, o quadro tem as cores azul e branca. Ao iluminar o mesmo quadro com luz monocromática amarela, a parte azul aparecerá negra, pois não será capaz de refletir o amarelo. A parte branca, entretanto, aparecerá amarela, pois o branco reflete todas as cores.