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FÍSICA Do grego, que significa natureza, pois nos primórdios eram estudados aspectos do mundo animado e inanimado. Do grego, que significa natureza, pois.

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1 FÍSICA Do grego, que significa natureza, pois nos primórdios eram estudados aspectos do mundo animado e inanimado. Do grego, que significa natureza, pois nos primórdios eram estudados aspectos do mundo animado e inanimado. Atualmente, é a ciência que estuda a natureza em geral, principalmente, as interações da matéria e energia, desde corpos infinitamente pequenos (mecânica quântica) até infinitamente grandes (Cosmologia). Atualmente, é a ciência que estuda a natureza em geral, principalmente, as interações da matéria e energia, desde corpos infinitamente pequenos (mecânica quântica) até infinitamente grandes (Cosmologia). Identifica a trabalha com as leis básicas que regem o universo. Identifica a trabalha com as leis básicas que regem o universo. Sendo uma ciência, utiliza o método científico, baseando-se na matemática e na lógica para a formulação de seus conceitos. Sendo uma ciência, utiliza o método científico, baseando-se na matemática e na lógica para a formulação de seus conceitos.

2 Divisões da Física Quântica: trata do universo do muito pequeno, dos átomos e das partículas que compõem os átomos. Quântica: trata do universo do muito pequeno, dos átomos e das partículas que compõem os átomos. Clássica: trata dos objetos que encontramos no nosso dia-a-dia. Clássica: trata dos objetos que encontramos no nosso dia-a-dia. Relativística: trata de situações que envolvem grandes quantidades de matéria e energia. Relativística: trata de situações que envolvem grandes quantidades de matéria e energia.

3 Divisão Tradicional Mecânica (cinemática, dinâmica, estática, hidrostática) Mecânica (cinemática, dinâmica, estática, hidrostática) Termologia (termometria, calorimetria, termodinâmica) Termologia (termometria, calorimetria, termodinâmica) Ondulatória Ondulatória Óptica Óptica Eletrologia (eletrostática, eletrodinâmica, magnetismo e eletromagnetismo) Eletrologia (eletrostática, eletrodinâmica, magnetismo e eletromagnetismo) Física Moderna Física Moderna

4 2009: Ano Internacional da Astronomia

5 ÓPTICA GEOMÉTRICA Estudo da geometria dos raios de luz.

6 O que é a luz? Conjunto de comprimentos de onda a que o olho humano é sensível. Conjunto de comprimentos de onda a que o olho humano é sensível. Faixa de radiação eletromagnética que se situa entre as radiações infravermelhas e ultravioletas. Faixa de radiação eletromagnética que se situa entre as radiações infravermelhas e ultravioletas. Três grandezas físicas básicas da luz: cor (frequência), brilho (amplitude) e polarização (ângulo de vibração). Três grandezas físicas básicas da luz: cor (frequência), brilho (amplitude) e polarização (ângulo de vibração). Simultaneamente, a luz apresenta propriedades de ondas e partículas (dualidade onda-partícula). Simultaneamente, a luz apresenta propriedades de ondas e partículas (dualidade onda-partícula).

7 Teorias sobre a Luz Primeiras idéias dos gregos (século I aC, Lucrécio): a luz solar e o seu calor eram compostos de pequenas partículas. Primeiras idéias dos gregos (século I aC, Lucrécio): a luz solar e o seu calor eram compostos de pequenas partículas. Teoria corpuscular da luz (século XVII, Isaac Newton): luz como partícula que se desloca com uma velocidade maior na água do que no ar. Teoria corpuscular da luz (século XVII, Isaac Newton): luz como partícula que se desloca com uma velocidade maior na água do que no ar. Teoria ondulatória da luz (século XVII, Huygens): Teoria ondulatória da luz (século XVII, Huygens): fenômeno ondulatório. Através das experiências de Young e Fresnel conseguiu-se medir o comprimento de onda da luz e provar sua propagação retilínea em meios homogêneos. fenômeno ondulatório. Através das experiências de Young e Fresnel conseguiu-se medir o comprimento de onda da luz e provar sua propagação retilínea em meios homogêneos. Foucault, século XIX, descobriu que a luz se deslocava mais rápido no ar do que na água. Foucault, século XIX, descobriu que a luz se deslocava mais rápido no ar do que na água.

8 Dualidade onda partícula * Caráter ondulatório (até o final do´século XIX): Onda eletromagnética que se propaga no vácuo com velocidade de 3 x 10 8 m/s. V = λ. F * Caráter corpuscular (Einstein e Planck): Pequeno pacote de energia chamado de fóton. E = h. F E = h. F Obs.: Em 1911 Compton demonstrou que a colisão de um fóton com um elétron tem comportamento de corpos materiais.

9 Fontes de Luz da radiação visível Dependem essencialmente do movimento de elétrons. Dependem essencialmente do movimento de elétrons. Os elétrons podem ser levados de um estado de energia mais baixa outro de energia mais alta através do aquecimento ou passagem de corrente elétrica. Ao retornarem a seus níveis mais baixos, os átomos emitem radiação que pode estar na região visível do espectro. Os elétrons podem ser levados de um estado de energia mais baixa outro de energia mais alta através do aquecimento ou passagem de corrente elétrica. Ao retornarem a seus níveis mais baixos, os átomos emitem radiação que pode estar na região visível do espectro. A fonte mais comum da radiação visível é o Sol. A fonte mais comum da radiação visível é o Sol.

10 Observações Todos os objetos emitem radiação magnética, denominada radiação térmica, devido à sua temperatura. Todos os objetos emitem radiação magnética, denominada radiação térmica, devido à sua temperatura. Quando a radiação térmica é visível, os objetos são denominados incandescentes. Um exemplo para esta situação é o Sol. Para que observemos a incandescência, são necessárias temperaturas que excedam a 1.000°C. Quando a radiação térmica é visível, os objetos são denominados incandescentes. Um exemplo para esta situação é o Sol. Para que observemos a incandescência, são necessárias temperaturas que excedam a 1.000°C. Quando a luz é emitida de objetos frios, o fenômeno é chamado de luminescência. Os exemplos são as lâmpadas fluorescentes, relâmpagos, e receptores de televisão. Quando a luz é emitida de objetos frios, o fenômeno é chamado de luminescência. Os exemplos são as lâmpadas fluorescentes, relâmpagos, e receptores de televisão. Caso a energia que excita os átomos seja originada de uma reação química, chamamos ao fenômeno de quimiluminescência. Caso a energia que excita os átomos seja originada de uma reação química, chamamos ao fenômeno de quimiluminescência. Mas, o que ocorre em seres vivos, como vagalumes e organismos marinhos, é chamado de bioluminescência. Mas, o que ocorre em seres vivos, como vagalumes e organismos marinhos, é chamado de bioluminescência.

11 Classificação das fontes de Luz Primária: possuem luz própria. Primária: possuem luz própria. Ex.: Sol, estrelas. Secundária: necessitam receber luz de uma fonte para serem visualizadas. Secundária: necessitam receber luz de uma fonte para serem visualizadas. Ex.: pessoas, caderno.

12 Meios de Propagação Transparentes: permitem a passagem dos raios de luz e, por isso é possível enxergar os objetos que estão do outro lado de um objeto transparente. Ex.: vidro plano de janela. Transparentes: permitem a passagem dos raios de luz e, por isso é possível enxergar os objetos que estão do outro lado de um objeto transparente. Ex.: vidro plano de janela. Translúcidos: permitem a passagem dos raios de luz de uma maneira irregular. É possível enxergar objetos através deles, mas não é possível identificar detalhes. O vidro leitoso é um exemplo. Translúcidos: permitem a passagem dos raios de luz de uma maneira irregular. É possível enxergar objetos através deles, mas não é possível identificar detalhes. O vidro leitoso é um exemplo. Opacos: não permitem a passagem dos raios de luz. É impossível enxergar através de um corpo opaco. Ex.: parede de alvenaria. Opacos: não permitem a passagem dos raios de luz. É impossível enxergar através de um corpo opaco. Ex.: parede de alvenaria. Obs: * Em nosso estudos trabalharemos apenas com meios transparentes e homogêneos, nos quais a luz se propaga em linha reta. * Após atravessar um meio, a luz chegará em algum sistema óptico (espelho, globo ocular, lentes) * Após atravessar um meio, a luz chegará em algum sistema óptico (espelho, globo ocular, lentes)

13 Trajetória da Luz Reta (direção) + seta (sentido) Reta (direção) + seta (sentido) Feixe divergente Feixe convergente Raio de luz Feixe paralelo

14 Princípios da Óptica Geométrica Propagação retilínea da luz (sombra, penumbra = eclipse total/parcial). Propagação retilínea da luz (sombra, penumbra = eclipse total/parcial). Independência dos raios de luz. Independência dos raios de luz. Reversibilidade dos raios de luz. Reversibilidade dos raios de luz.

15 Fenômenos Ópticos REFLEXÃO: ao atingir uma superfície, a luz retorna ao meio de origem. REFLEXÃO: ao atingir uma superfície, a luz retorna ao meio de origem. A reflexão pode ser classificada como: A reflexão pode ser classificada como: regular ou difusa. regular ou difusa.

16 Observações a respeito da reflexão Em espelhos ocorre o fenômeno da reflexão regular. Em espelhos ocorre o fenômeno da reflexão regular. A cor exibida por um corpo é determinada pela luz que ele reflete difusamente. A cor exibida por um corpo é determinada pela luz que ele reflete difusamente. Os objetos que vemos diariamente refletem difusamente a luz. Os objetos que vemos diariamente refletem difusamente a luz.

17 Corpo branco Corpo azul Corpo preto

18 REFRAÇÃO: passagem da luz de um meio para outro com mudança de velocidade de propagação e na maioria das vezes, desvio de sua trajetória.

19 Absorção: todo corpo ao sofrer incidência da luz absorve certa quantidade de energia. Obs.: Fenômenos ópticos ocorrem simultaneamente.

20 Velocidade da Luz A luz se propaga no vácuo numa velocidade constante, que é uma constante da Física, representada por c e igual a m/s. A luz se propaga no vácuo numa velocidade constante, que é uma constante da Física, representada por c e igual a m/s.

21 Medidas para a Luz Intensidade da radiação/brilho: W/m 2 Intensidade da radiação/brilho: W/m 2 Iluminância ou iluminação: lux Iluminância ou iluminação: lux Fluxo luminoso: lumen Fluxo luminoso: lumen Intensidade luminosa: candela Intensidade luminosa: candela

22 O que é a difração da luz? É o fenômeno que ocorre com as ondas quando passam por um orifício ou contornam obstáculos de dimensões na ordem de grandeza do seu comprimento de onda. É o fenômeno que ocorre com as ondas quando passam por um orifício ou contornam obstáculos de dimensões na ordem de grandeza do seu comprimento de onda. Para que ocorra a difração com a luz visível é necessária a utilização de redes de difração (superfícies reflexivas ou transparente onde são fritos vários sulcos, uns próximos aos outros). Para que ocorra a difração com a luz visível é necessária a utilização de redes de difração (superfícies reflexivas ou transparente onde são fritos vários sulcos, uns próximos aos outros). Exemplos da utilização de redes de difração para a luz visível: quando olhamos um tecido de trama fina contra uma fonte de luz distante ou observamos o reflexo num CD ou olhamos para a Lua através de uma nuvem, percebemos halos coloridos (os pequenos obstáculos são a trama, os sulcos do CD ou as gotinhas de água). Exemplos da utilização de redes de difração para a luz visível: quando olhamos um tecido de trama fina contra uma fonte de luz distante ou observamos o reflexo num CD ou olhamos para a Lua através de uma nuvem, percebemos halos coloridos (os pequenos obstáculos são a trama, os sulcos do CD ou as gotinhas de água).

23 EXERCÍCIOS 1) Uma folha V reflete apenas luz verde. Uma outra folha A absorve todas as cores, exceto a amarela. Iluminando ambas as folhas com luz branca e observando através de um filtro vermelho: a) ambas parecerão pretas b) ambas parecerão vermelhas c) ambas parecerão verdes d) ambas parecerão brancas e) a folha V parecerá amarela e a folha A parecerá verde

24 2) Um disco opaco de 20 cm de raio dista 0,50 m de uma fonte puntiforme luminosa. Uma tela é colocada 1,50 m atrás do disco, de forma que a reta que passa pela fonte e pelo centro do disco é perpendicular à tela e esta é paralela ao disco. O diâmetro da sombra do disco projetada na tela, em cm, vale: a) 10 b) 20 c) 40 d) 80 e) 160

25 3) Um edifício iluminado pelos raios solares projeta uma sombra de comprimento L = 72,0 m. Simultaneamente, uma vara vertical de 2,50 m de altura, colocada ao lado do edifício, projeta uma sombra de comprimento = 3,00 m. Qual é a altura do edifício? a) 90,0 m b) 86,0 m c) 60,0 m d) 45,0 m e) nenhuma das anteriores

26 4) No passado, durante uma tempestade, as pessoas costumavam dizer que um raio havia caído distante, se o trovão devido a ele fosse ouvido muito tempo depois; ou que teria caído perto, caso acontecesse o contrário. Do ponto de vista da Física, essa afirmação está fundamentada no fato de, no ar, a velocidade do som: a) variar como uma função da velocidade da luz. b) ser muito maior que a da luz. c) ser a mesma que a da luz. d) variar com o inverso do quadrado da distância. e) ser muito menor que a da luz.

27 5) A folha impressa de um livro apresenta impressão de letras pretas sobre o fundo branco do papel; isso facilita a leitura e a percepção da escrita. O que ocorre com a luz ? Ela: a) é absorvida pela escrita e refratada pelo papel branco; b) é refletida pela escrita e absorvida pelo papel branco; c) é absorvida pela escrita e refletida pelo papel branco; d)é refletida igualmente pelas duas partes; e) é refratada em graus diferentes pelas duas partes.

28 6) O laser tem sido cada vez mais utilizado na medicina em inúmeras aplicações. Um raio laser é monocromático, ou seja, é um feixe com uma única freqüência. Raios de diferentes cores são usados, dependendo do efeito desejado e do tipo de tecido a ser tratado. Aplicações incluem desde o corte cirúrgico de grande precisão até a remoção de tatuagens, na qual os pigmentos coloridos sob a pele são pulverizados ao absorver a luz e são eliminados pelo sistema imunológico. Nesses tipos de aplicações, o médico deseja que a energia do laser seja absorvida ao máximo pelo tecido atingido, ou pelos pigmentos das tatuagens. Suponha que um médico dispões de um laser de argônio, que emite num comprimento de onda de 450 nm e um laser de dióxido de carbono (CO 2 ), que emite na faixa de 740 nm, ambos com a mesma potência. Na figura abaixo, está representado o espectro da luz visível, com os comprimentos de onda correspondentes a cada cor. Com base nessas informações e em seus conhecimentos sobre a absorção da luz pelos materiais, analise as seguintes afirmativas: I. Se o médico deseja fazer um corte em um tecido de cor vermelha é mais apropriado usar o laser de argônio do que o de CO 2. II. Na remoção de tatuagens, os pigmentos de cor preta são os mais fáceis de ser pulverizados. III. Um laser de cor branca é o mais indicado para o corte cirúrgico. Está(ão) correta(s) apenas a(s) alternativa(s): a) I, II e III b) II e III c) I e III d) I e II e) I

29 7) Um raio de luz, ao se refletir sobre uma superfície, apresenta-se refletido difusamente. Isto mostra que: a) a superfície refletora é plana b) a superfície refletora é côncava c) a superfície refletora absorve parcialmente a luz incidente d) a superfície refletora é rugosa

30 8) Com base em seus conhecimentos sobre Óptica Física e Geométrica, analise as afirmativas abaixo. I. Quando a luz passa do ar para o vidro, ocorre uma mudança no seu comprimento de onda, fato que é explicado pelo fenômeno da difração. II. Reflexão, refração e absorção são fenômenos ondulatórios que não podem ocorrer simultaneamente. III. A cor de um feixe de luz monocromática não se altera quando esse feixe passa de um meio transparente para outro. IV. O fenômeno da difração ocorre com todas as ondas, caracterizando-se pelo desvio da direção em que a onda se propaga ao encontrar um obstáculo. Dessas afirmativas, está(ão) correta(s) apenas a) I, II e III. b) I, III e IV. c) I e II. d) III e IV. e) II e IV.

31 9) Uma pessoa avista um ponto mais alto de uma torre mediante um ângulo visual a. Afastando-se uma distância de 4 metros dessa torre, essa pessoa vê a torre mediante um ângulo visual b. Determine a altura (h) da torre, sabendo-se que: a = 45º e tg b = 5/6. a) 15 metros b) 18 metros c) 35 metros d) 30 metros e) 20 metros


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