Luz: fontes, propagação e principais fenômenos ópticos

Você sabia que todas as coisas que estão a nossa volta só são possíveis de serem enxergadas por causa dos fenômenos relacionados à luz? Entre muitos existentes, reflexão, refração e dispersão são os de maior destaque, tanto é que também são temas que podem aparecer na prova de Ciências da Natureza e suas Tecnologias do Exame Nacional do Ensino Médio (Enem).

Pensando nisso, preparamos um conteúdo completo para você se dar bem na prova! Continue a leitura e saiba mais sobre fontes de luz, propagação e principais fenômenos ópticos.

O que é luz?

Luz é uma forma de radiação eletromagnética capaz de provocar sensação visual num observador normal. Ela transporta a chamada “energia radiante”, que é capaz de sensibilizar as células de nossa retina e provocar a sensação de visão.

A luz pode se propagar no vácuo com velocidade de aproximadamente 300 mil km/s. As frequências de luz que são visíveis ao olho humano são chamadas de espectro visível – ondas com comprimentos entre 400 nm e 700 nm. Ondas eletromagnéticas que apresentam frequências menores que a da luz visível são chamadas de infravermelho, enquanto as que apresentam frequências maiores são chamadas de ultravioleta.

A luz já foi estudada e interpretada de diversas formas. Entre algumas das suas descrições, podemos ressaltar a geométrica, a ondulatória e a corpuscular. Vamos entender melhor cada um destes conceitos logo abaixo. Continue com a gente!

Geométrica

A luz pode ser representada por retas, que são chamadas de raios de luz. Um conjunto de raios de luz, por sua vez, é chamado de feixe. Para a óptica geométrica, a luz se propaga somente em linha reta e a interpretação geométrica da luz é capaz de explicar o funcionamento de lentes e espelhos.

Ondulatória

A luz se propaga no espaço, transportando energia consigo. A frequência da luz, nesse caso, diz respeito ao número de oscilações realizadas pelos campos elétrico e magnético, a cada segundo. De acordo com a natureza ondulatória, a luz se propaga em uma direção perpendicular ao campo eletromagnético. A descrição eletromagnética da luz também explica o surgimento dos fenômenos de interferência, difração, refração e polarização, por exemplo.

Corpuscular

A luz é formada por muitas partículas dotadas de movimento linear – porém, são partículas sem massa, chamadas de fótons. Esse tipo de interpretação explica os fenômenos citados anteriormente, bem como alguns fenômenos quânticos, como o efeito fotoelétrico.

Fontes de luz

Qualquer corpo capaz de emitir luz pode ser considerado uma fonte de luz. A palavra “fonte” dá a ideia daquilo que origina ou produz efeito – nesse caso, aquilo que produz a luz. Existem fontes de luz primárias e secundárias.

Fontes primárias ou corpos luminosos

As fontes primárias são aquelas que emitem luz própria ou são corpos luminosos. Elas se subdividem em:

Incandescentes

Emitem luz em virtude de sua elevada temperatura. Exemplos:

• Sol: é um exemplo clássico de uma fonte incandescente. Sua temperatura superficial extremamente elevada faz com que emita luz e calor para o espaço;
• Lâmpadas de Filamento: essas lâmpadas funcionam pela passagem de corrente elétrica através de um filamento metálico, elevando sua temperatura até o ponto de emitir luz visível.

Luminescentes

São corpos que emitem luz devido a um processo químico ou físico, sem que haja necessariamente um aumento de temperatura. Exemplos:

• Fluorescência: é um tipo de luminescência na qual a substância absorve luz de uma certa frequência e emite luz de frequência diferente, geralmente de maior comprimento de onda, quase que instantaneamente. Exemplos incluem lâmpadas fluorescentes e materiais fluorescentes;
• Fosforescência: semelhante à fluorescência, mas com a liberação de luz ocorrendo de forma mais lenta, podendo persistir por algum tempo após a fonte de excitação ter sido removida. Exemplos incluem relógios de pulso luminosos e brinquedos que brilham no escuro;
• Bioluminescência: é um fenômeno encontrado em certos organismos vivos, nos quais reações químicas específicas dentro do corpo produzem luz visível. Exemplos incluem vaga-lumes e alguns peixes nas profundezas do oceano.

Fontes secundárias ou corpos iluminados

As fontes secundárias de luz, ou corpos iluminados, são objetos ou superfícies que refletem a luz proveniente de fontes primárias. Em outras palavras, esses corpos não emitem luz própria, mas tornam-se visíveis ao refletirem a luz que incide sobre eles. Veja alguns exemplos:

1. Objetos refletores:
   • Espelhos: superfícies polidas que refletem a luz de forma especular, mantendo a direção dos raios de luz.
   • Superfícies metálicas polidas: muitos metais polidos, como alumínio e prata, têm a capacidade de refletir a luz de forma bastante eficiente.
   • Água calma: superfícies de água calma atuam como espelhos naturais, refletindo a luz do Sol ou outras fontes luminosas.
2. Superfícies difusoras:
   • Paredes pintadas: paredes pintadas com tintas opacas difundem a luz, fazendo com que ela se espalhe em várias direções.
   • Papéis brancos ou superfícies claras: superfícies brancas ou claras também são capazes de refletir a luz, embora de forma menos direcional do que os espelhos.
   • Tecidos brancos ou claros: tecidos como algodão ou linho em cores claras podem refletir a luz de forma difusa.
3. Corpos celestes:
   • Lua: a Lua é um exemplo clássico de um corpo iluminado. Ela não emite luz própria, mas reflete a luz do Sol, tornando-se visível para nós na Terra.
   • Planetas: planetas como Vênus, Marte e Júpiter também refletem a luz do Sol e são visíveis no céu noturno.
   • Satélites artificiais: objetos artificiais, como satélites, podem ser visíveis no céu noturno quando refletem a luz solar.

Meios de propagação da luz

Esse é um dos temas mais importantes dentro desse ramo de estudo sobre a luz. Por isso, neste tópico, vamos entender os meios nos quais a luz pode se propagar, indicando o seu comportamento em cada um dos três diferentes meios, que são: os meios transparentes, os meios translúcidos e os meios opacos.

Mas, antes, é importante diferenciar meio homogêneo e meio isótropo ou isotrópico. O meio homogêneo apresenta as mesmas propriedades físicas em todos os seus pontos. Já o meio isótropo ou isotrópico apresenta propriedades físicas medidas em um ponto do meio que não depende da direção em que é examinado.

Quando temos um feixe de luz, sabemos que a sua trajetória será sempre retilínea, a não ser que tal feixe sofra alguma perturbação, uma vez que a luz se trata também de uma onda. Essa perturbação pode ocorrer na forma de reflexão, tal como ocorre nos espelhos planos e esféricos. Também pode ocorrer na forma de refração, quando a luz tem a sua trajetória modificada devido à presença de algum anteparo.

Ainda, a luz pode ser absorvida, e parar totalmente a sua propagação. Veremos, então, quais meios causam essas situações e quais as suas particularidades. Vamos lá?! ?

Meios transparentes

Os meios transparentes permitem a passagem da luz e os objetos podem ser observados através deles. São aqueles em que a luz pode se propagar sem sofrer nenhum tipo de interferência. O melhor exemplo é o vácuo, que não causa qualquer tipo de alteração na propagação da trajetória da luz.

No entanto, alguns meios causam uma pequena alteração na propagação da luz, sendo também considerados como meios transparentes. Eles são: os vidros, o ar, a água, o papel celofane, os cristais perfeitamente sólidos, entre outros. Dessa forma, um objeto posicionado atrás de um anteparo transparente pode ser visto com clareza, sem nenhum tipo de distorção. Veja na imagem a seguir a representação de um meio transparente:

Meios translúcidos

Os meios translúcidos permitem a passagem de uma parte da luz incidente, e, por essa razão, os objetos não podem ser observados totalmente através deles e só se observam contornos.

Eles são definidos como os meios nos quais a luz consegue atravessá-los de maneira irregular ou difusa. Nesses meios, um objeto posicionado atrás de um anteparo pode ser observado pelo observador, no entanto, a imagem formada não será tão clara, podendo apresentar distorções quanto ao objeto real. São considerados meios translúcidos os vidros foscos, o papel vegetal, o papel manteiga e até mesmo as nuvens.

Meios opacos

Os meios opacos não permitem a passagem da luz. Sendo assim, em um meio opaco, o anteparo impede a propagação da luz. Isso faz com que o observador não consiga enxergar nada posicionado atrás do objeto.

Em nosso cotidiano, são inúmeros os exemplos de materiais opacos, tais como: madeira, concreto, tijolos, chapas de aço. Observe a seguir a representação de um anteparo opaco:

Princípios da propagação da luz

Os princípios da propagação explicam como os raios de luz se comportam em diversas situações. Eles são válidos sob condições específicas que envolvem meios ópticos homogêneos (de índice de refração constante) e isotrópicos (que apresentam as mesmas propriedades, independentemente da direção). Conheça cada um desses princípios:

Relação da luz com a óptica geométrica

A óptica geométrica é o ramo da óptica que se baseia na noção de raio de luz para descrever os fenômenos como a reflexão, a refração e a formação de imagens por meio da geometria, sem se importar com a natureza da luz. Essa abordagem permite a construção das representações geométricas que dão o seu nome.

Para quem está estudando para o vestibular, vale saber que a disciplina da física é dividida em várias partes dependendo do elemento de estudo. Desse modo, a mecânica estuda o movimento, a termologia (escalas termométricas) e o calor; a óptica, por sua vez, estuda a luz.

Como a luz apresenta comportamento duplo, podendo ser considerada onda ou partícula, os estudos da óptica se dividem em duas partes:

A óptica geométrica é o ramo da física que estuda um conjunto de fenômenos – chamados de fenômenos luminosos – que têm como causa determinante o agente físico: a luz, que pode ser representada por retas, comumente chamadas de raios de luz. Para a óptica geométrica, a luz se propaga somente em linha reta. A interpretação geométrica da luz é capaz de explicar o funcionamento de lentes e espelhos.

A óptica geométrica interpreta a luz como segmentos de reta, chamados raios de luz. Os raios de luz são usados para ilustrar a direção e o sentido de propagação da luz. Grande parte dos fenômenos luminosos que observamos em nosso cotidiano pode ser explicada unicamente com as contribuições da óptica geométrica, como as sombras, os eclipses e a reflexão da luz.

Ela faz uso de uma concepção de luz relativamente simples, por isso, e por meio dela, podemos explicar facilmente como ocorre a formação de imagens em sistemas ópticos refletores, como espelhos planos e esféricos, mas também em sistemas ópticos refratores, como lentes delgadas, prismas e outros.

Fenômenos ópticos

Fenômenos ópticos são eventos observáveis a olho nu resultantes da interação da luz com a matéria. Reflexão regular, reflexão difusa, refração e absorção são fenômenos ópticos estudados pela física.

Reflexão

A reflexão da luz é responsável por conseguirmos enxergar a maior parte dos objetos a nosso redor. A maioria desses corpos são fontes secundárias de luz, também chamados de corpos iluminados, ou seja, não produzem luz própria, apenas refletem os raios luminosos que chegam até eles.

Ao incidir sobre uma superfície que separa dois meios de propagação, a luz sofre algum, ou mais do que um, dos fenômenos a seguir:

Refração

Refração da luz é o fenômeno que consiste na mudança de velocidade de propagação da onda eletromagnética quando esta atravessa meios ópticos diferentes. Durante a refração, o comprimento de onda da luz muda, enquanto a sua frequência permanece constante. A refração pode ou não ser acompanhada de uma mudança na direção da propagação da luz.

A luz incide e atravessa a superfície, continuando a se propagar no outro meio. Ambos os raios (incidentes e refratados) são paralelos, no entanto, os raios refratados seguem uma trajetória inclinada em relação aos incididos. Esse fenômeno ocorre quando a superfície separa dois meios transparentes.

Quando isso acontece, a velocidade de propagação da luz muda, já que ela depende de uma característica do meio óptico chamada de índice de refração absoluto. O índice de refração absoluto é uma grandeza adimensional, isto é, uma grandeza que não tem unidade de medida, calculada pela razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz naquele meio.

Quanto maior for o índice de refração de um meio, menor é a velocidade em que a luz se propaga em seu interior – em outras palavras, dizemos que o meio é mais refringente. Uma vez que não existe qualquer meio óptico em que a luz se propague mais rapidamente que no vácuo, o índice de refração absoluto é sempre maior ou igual a 1.

Confira na tabela a seguir o índice de refração de alguns meios ópticos conhecidos:

Leis da refração

Depois de conhecermos os conceitos principais da refração, vamos entender como funcionam as suas leis.

Absorção

A absorção da luz é um processo pelo qual a luz que incide sobre um corpo é convertida em energia. Ela pode ocorrer por qualquer corpo ou substância, no entanto, a forma como a luz é absorvida depende de sua frequência e da natureza dos átomos do corpo que é iluminado.

Quando a luz é absorvida, os elétrons passam a oscilar e emitir calor. Para que isso aconteça, a luz que incide sobre um material em particular precisa ter uma frequência de oscilação próxima da frequência da qual os elétrons dos átomos desse material vibram.

A cor dos objetos iluminados – que não produzem sua própria luz – depende da frequência que eles são capazes de absorver. Um objeto de cor azul, por exemplo, não é capaz de absorver a luz cuja frequência corresponde à cor azul, por isso, essa luz é refletida e o objeto é visto em tal coloração.

Portanto, absorção da luz é um fenômeno óptico que ocorre quando a radiação eletromagnética visível incide sobre a superfície de algum material, de forma que alguma parcela da energia carregada por essa luz permaneça retida nele. Os materiais capazes de absorver a luz visível são chamados de opacos.

Transmissão

A transmissão acontece quando a luz atravessa uma superfície ou objeto. Há três tipos de transmissão: direta, difusa ou seletiva.

Difração

A difração pode ser definida como a capacidade das ondas em contornar obstáculos. Quando uma onda se choca com um obstáculo que possui uma abertura com dimensões comparáveis a seu comprimento, as partes da onda que passam pelo espaço aberto se abrem e atingem as regiões opostas ao obstáculo.

Por exemplo: ao deixarmos cair uma pedra sobre a superfície de um líquido, veremos a formação de ondulações em forma de círculos concêntricos. A essas ondulações damos o nome de ondas, as quais, por terem pequenas amplitudes, consideramos ondas transversais. No decorrente movimento dessas ondas, elas tanto podem ser refletidas como podem ser refratadas.

O fenômeno denominado difração nada mais é do que o desvio ou espalhamento sofrido pela onda quando esta contorna ou transpõe obstáculos colocados em seu caminho. Podemos dizer que tal fenômeno acontece com todos os tipos de ondas e é facilmente perceptível em ondas sonoras. Um exemplo da difração sonora é quando estamos ouvindo uma música sendo tocada do outro lado de um muro.

A maior ou menor capacidade que uma onda tem de sofrer difração está relacionada ao tamanho do obstáculo a ser contornado ou à largura da passagem a ser transposta e o seu comprimento de onda.

Interferência

O fenômeno da interferência acontece sempre que duas ondas de quaisquer naturezas se encontram. Essa ocorrência pode ser classificada como destrutiva ou construtiva.

Quando dois pequenos objetos, como duas pedras, por exemplo, batem sobre a superfície de um líquido como um rio, ondas circulares se propagam sobre essa superfície. Supondo que essas ondas formadas possuam a mesma frequência, mesmo comprimento de onda e que as fontes possuam diferença de fase constante, em um dado instante, há a interceptação dos pulsos das ondas, ocorrendo, dessa forma, a interferência, que é o fenômeno que representa a superposição de duas ou mais ondas em um mesmo ponto. Isso acontece de acordo com o princípio da superposição de ondas e pode ser classificado em interferência construtiva e interferência destrutiva.

A interferência é um fenômeno típico dos movimentos ondulatórios, ou seja, pode-se obter a interferência com duas ou mais fontes luminosas ou fontes sonoras, como o alto-falante. A interferência também ocorre nas bolhas de sabão: o feixe luminoso, ao incidir na bolha, sofre esse fenômeno tanto na superfície superior quanto na inferior. Em virtude disso, surgem regiões escuras, que são as zonas de interferência destrutiva, e as regiões claras, que correspondem às zonas de interferência construtiva.

Polarização

A polarização da luz ocorre quando a luz natural, que antes se propagava em todos os planos, passa a se propagar em um único plano. As fontes luminosas geralmente emitem luzes formadas por ondas eletromagnéticas que vibram em várias direções. Nessas, há sempre um plano perpendicular para cada raio de onda luminosa. Essa luz é chamada de luz natural ou luz não polarizada.

Na natureza, existem substâncias que, ao serem atravessadas pelos feixes de luz, deixam passar apenas uma parte da onda luminosa. Desse acontecimento ocorre um fenômeno chamado de polarização da luz. A luz natural, que antes se propagava em todos os planos, agora passa a se propagar em um único plano.

A polarização pode ser entendida como o processo de filtrar ondas, no qual elas são selecionadas de acordo com a direção de vibração, após passarem por um material que serve como filtro, denominado de polarizador. Esse é um fenômeno exclusivo das ondas transversais, tipo de ondas que possuem a propagação perpendicular à vibração. Ondas longitudinais, que possuem direção de propagação paralela à direção de vibração, não podem ser polarizadas. O som é um tipo de onda longitudinal e, por isso, não pode ser polarizado.

Os polarizadores funcionam como uma fenda, permitindo que a luz passe somente em um plano. Se acontecer de dois polarizadores estarem alinhados na mesma direção, a luz passa pelo primeiro, mas no segundo não se vê nada, pois não haverá emergência de luz.

O acontecimento da polarização da luz dá evidências claras de que ela é formada por ondas transversais. Dessa maneira, o fenômeno só pode acontecer com esse tipo de onda específica. Assim, podemos concluir que não acontece polarização com as ondas sonoras, pois elas são do tipo longitudinal.

Meios de propagação da luz, fenômenos ópticos e velocidade da luz são possíveis temas que podem aparecer em avaliações de escolas, vestibulares de universidades públicas ou privadas (como a Fuvest, por exemplo) e até mesmo no Exame Nacional do Ensino Médio (Enem). Por isso, é importante estudar esses assuntos e realizar alguns simulados de física para sempre se manter atualizado.

Geralmente, os exercícios cobrados em provas destinam-se ao estudo da luz e de seus fenômenos. E, para te ajudar ainda mais, nós preparamos um compilado de questões para você resolver e treinar antes da maratona de vestibulares. Agora é com você, bons estudos!

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