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Luz

Natureza da luz – O que é a luz?

Teoria corpuscular da luz

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Em 1672, o físico inglês Isaac Newton (fig. 1.1) apresentou uma teoria conhecida como modelo corpuscular da luz. Nesta teoria a luz era considerada como um feixe de partículas emitidas por uma fonte de luz que atingia o olho estimulando a visão.

Esta teoria conseguia explicar muito bem alguns fenômenos de propagação da luz .

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Fig. 1.1 Sir Isaac Newton (1642-1727)

Newton publicou muitos trabalhos no campo da ótica e da matemática. Revolucionou a ciência física formulando as três leis básicas da mecânica e a lei da gravitação universal. Newton descobriu também que a luz poderia se dividir em muitas cores, através de um prisma, fenômeno da dispersão da luz (fig. 1.2), e usou esse conceito experimental para analisar a luz.

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Fig. 1.2 Dipersão da luz através de um prisma

Teoria ondulatória da luz

No século XIX, o cientista francês L. Foucault, medindo a velocidade da luz em diferentes meios (ar/água), verificou que a velocidade da luz era maior no ar do que na água, contradizendo a teoria corpuscular que considerava que a velocidade da luz na água deveria ser maior que no ar (Newton não tinha condições, na época, de medir a velocidade da luz).

Na segunda metade do século XIX, James Clerk Maxwell (fig. 1.3), através da sua teoria de ondas eletromagnéticas, provou que a velocidade com que a onda eletromagnética se propagava no espaço era igual à velocidade da luz, cujo valor é, aproximadamente: 
c = 3 x 10 8 m/s = 300 000 km/s

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Fig. 1.3 James Clerk Maxwell (1831-1879)

Físico escocês que fez importantes trabalhos em eletricidade e eletromagnetismo. O seu maior trabalho foi a previsão da existência de ondas eletromagnéticas.

Maxwell estabeleceu teoricamente que:

“A luz é uma modalidade de energia radiante que 
se propaga através de ondas eletromagnéticas.”

Hertz, 15 anos após a descoberta de Maxwell, comprovou experimentalmente a teoria ondulatória, usando um circuito oscilante.

Características de uma onda: comprimento de onda () e freqüência (f).

A velocidade da onda é dada pelo produto do comprimento de onda , (fig 1.4), pela freqüência, f, ou seja, este produto é constante para cada meio

V =Luz

O que se observa pela relação 1.1 é que quanto maior a freqüência menor o comprimento de onda e vice-versa.

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Fig. 1.4 Representação de uma onda apresentando comprimento , amplitude A e velocidade V

O espectro eletromagnético (conjunto de ondas eletromagnéticas – fig. 1.5) apresenta vários tipos de ondas eletromagnéticas: ondas de rádio, microondas, radiação infravermelha, luz (radiações visíveis), ultravioleta, raios X e raios gama. As ondas diferem entre si pela freqüência e se propagam com a mesma velocidade da luz no vácuo.

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Fig. 1.5 Espectro eletromagnético mostrando a faixa da luz visível (a figura não está em escala)

No espectro eletromagnético o domínio correspondente à luz é:

f = 8,35 x 1014 Hz que corresponde a = 3,6 x 10-7 m (cor violeta), até f = 3,85 x 1014 Hz que corresponde a = 7,8 x 10-7 m (cor vermelha).

Dualidade onda/partícula

Quando parecia que realmente a natureza da luz era onda eletromagnética, essa teoria não conseguia explicar o fenômeno de emissão fotoelétrica, que é a ejeção de elétrons quando a luz incide sobre um condutor.

Einstein (1905 – fig 1.6) usando a idéia de Planck (1900), mostrou que a energia de um feixe de luz era concentrada em pequenos pacotes de energia, denominados fótons, que explicava o fenômeno da emissão fotoelétrica.

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Fig. 1.6 Albert Einstein (1879-1955). 
O mais importante físico do século XIX.

Em 1905 fez a famosa teoria da relatividade, que propunha analisar

os movimentos das partículas que apresentavam grandes velocidades

para as quais a mecânica Newtoniana não era válida.

A natureza corpuscular da luz foi confirmada por Compton (1911). Verificou que quando um fóton colide com um elétron, eles se comportam como corpos materiais.

Atualmente aceita-se o fato de que:

A luz tem caráter dual: os fenômenos de reflexão, refração, interferência, difração e polarização da luz podem ser explicados pela teoria ondulatória e os de emissão e absorção podem ser explicados pela teoria corpuscular

Conceitos básicos – Luz, Ondas, frentes de onda e raios

Uma frente de onda ou superfície de onda é o lugar geométrico de todos os pontos em que a fase de vibração ou variação harmônica de uma quantidade física é a mesma.

As ondas eletromagnéticas radiadas por uma pequena fonte de luz podem ser representadas por frentes de onda que são superfícies esféricas concêntricas (centros coincidentes) à fonte e a uma distância grande da fonte, como superfícies planas (fig. 1.7 a e b).

Considerando a teoria corpuscular, um raio é simplesmente a trajetória retilínea que um corpúsculo de luz percorre.

Considerando a teoria ondulatória, um raio é uma linha imaginária na direção de propagação da onda, ou seja, perpendicular à frente de onda (fig. 1.7 a e b).

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Fig. 1.7 a) Frentes de onda esféricas

Frentes de onda planas

Princípios da propagação da luz

Princípio da propagação retilínea

Nos meios homogêneos e transparentes a luz se propaga em linha reta

Este princípio é facilmente observado no nosso cotidiano: o feixe de luz proveniente de um holofote; qualquer processo de alinhamento; mira para atirar em uma alvo; formação de sombras; formação de imagens e outros.

Em meios heterogêneos a luz não se propaga necessariamente em linha reta. Como exemplo temos a atmosfera terrestre que aumenta a densidade com a altitude decrescente; em conseqüência disso os raios provenientes dos astros se encurvam ao se aproximarem da superfície terrestre, fenômeno conhecido como refração atmosférica (será estudada em refração).

Princípio da independência dos raios de luz

A propagação da luz independe da existência de outros raios de luz na região que atravessa

Este princípio você observa quando um palco é iluminado por dois feixes de luz provenientes de dois holofotes. A trajetória de um raio de luz não é modificada pela presença de outros: cada um segue sua trajetória como se os outros não existissem (fig. 1.8).

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Fig. 1.8 Princípio da indepêndencia dos raios de luz

Princípio da reversibilidade de raios luminosos

Considere que um raio faz o percurso ABC tanto no fenômeno da reflexão (fig. 1.9a) como na refração (fig.1.9b). Se o raio de luz fizer o percurso no sentido contrário CBA, a trajetória do raio será a mesma.

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Fig.1.9 Reversibilidade dos raios luminosos
(a) Reflexão(b) Refração

Este é o princípio da reversibilidade de raios luminosos ou princípio do caminho inverso, que pode ser enunciado como:

“A trajetória seguida pelo raio luminoso independe do sentido do percurso.”

Fontes de luz – Objetos luminosos e iluminados

Objetos luminosos ou fontes de luz são aqueles que emitem luz própria, tais como o Sol, as estrelas, a chama de uma vela, lâmpadas.

Objetos iluminados são aqueles que não emitem luz própria mas, sim, refletem luz proveniente de uma fonte. Como exemplo de objetos iluminados temos a Lua, uma pessoa, um carro e outros objetos que nos rodeiam.

Na época de Platão, na Grécia, acreditava-se que os olhos emitiam partículas que tornavam os objetos visíveis. Atualmente sabemos que os objetos, para serem vistos, emitem luz proveniente de uma fonte, que atinge os nossos olhos (fig. 1.9)

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Fig. 1.10 Como nós enxergamos um objeto.

As fontes de luz podem ser puntuais e extensas. São consideradas puntuais ou puntiformes quando as dimensões se reduzem a um ponto luminoso e a formação de sombra do objeto é bem definida, e extensas quando é um conjunto de pontos luminosos.

Quando a fonte é extensa, além da sombra do objeto, há uma região de contorno que recebe alguma luz da fonte, denominada penumbra. Essa formação de sombra e penumbra ocorre nos fenômenos de eclipse do Sol (fig. 1.10 e 1.11).

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Fig.1.11 Eclipse do Sol

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Fig. 1.12 Esquema do eclipse solar

Câmara escura

A câmara escura de orifício é constituída de uma caixa de paredes opacas com um pequeno orifício, sendo a parede oposta ao orifício de papel vegetal. A fig. 1-13 mostra um esquema da câmara escura.

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Fig 1.13 Câmara escura

Um objeto OO ‘ de tamanho H, é colocado à uma distância p do orifício A. Os raios que partem do objeto atravessam o orifício, projetando uma imagem II ‘, de tamanho H ‘, à uma distância q do orifício A.

Vamos determinar a relação entre os tamanho do objeto H e da imagem H ‘, e as distâncias objeto p e imagem q.

Os triângulos OO’A e II’A são semelhantes; portanto sendo seus lados proporcionais, obtemos: 
OO’ / II’ = p / q 1.2

Observe, na expressão 1.2, que se aproximarmos o objeto da câmara, o tamanho da imagem aumenta e vice-versa.

O tamanho do orifício A deve ser pequeno porque senão perde-se a nitidez da imagem II ‘ (da ordem de 0,008 vezes a raiz quadrada do comprimento da caixa).

Fonte: educar.sc.usp.br

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A natureza da luz

A Astronomia vive quase que exclusivamente da luz captada dos objetos celestes. É através da luz por eles emitida, refletida ou absorvida que tiramos informações sobre os astros. Estrelas, como o Sol, emitem luz, enquanto que os planetas do sistema solar e seus satélites refletem a luz solar. A Lua, nosso satélite natural, também reflete a luz do Sol, sendo que sua aparência no céu, expressa pelas fases da Lua, depende da posição da Lua relativa ao Sol no espaço. A Lua também bloqueia a luz do Sol durante um eclipse solar. Analogamente, detetamos a presença de poeira no espaço entre as estrelas através da sua capacidade de também absorver a luz destas últimas. Outro exemplo de objeto que não emite luz, mas cuja presença é detetada pelo seu efeito sobre aqueles que a emitem é o buraco negro. Os vários candidatos a buraco negro na Galáxia são membros de um par ou sistema múltiplo de estrelas, as quais sofrem perturbação gravitacional devida a estes objetos.

O Sol no horizonte

Tendo em mente a íntima relação entre a Astronomia e a luz, é indispensável entendermos melhor o que é a luz, como forma de estudar Astronomia. A luz com certeza é uma forma de energia; a luz solar esquenta o ar e superfície da Terra, como todos sabemos. Sabemos também que a luz solar pode ser decomposta em diferentes cores, como no arco-íris. Sabemos ainda que o Sol é branco-amarelado quando está alto no céu, mas bem amarelo ou alaranjado no nascente e no poente (ver imagem acima). Estes exemplos cotidianos nos mostram que a luz é uma forma de energia em propagação e capaz de interagir com a matéria. Podemos reproduzir um arco-íris fazendo com que a luz do Sol atravesse um prisma, ou mesmo uma superfície de água com um espelho submerso. Na verdade, a luz se propaga na forma de ondas e as diferentes cores refletem variações nas propriedades destas ondas. A figura abaixo mostra uma animação representando uma onda em propagação. O exemplo mostrado não é o das ondas de luz, mas de ondas mais próximas de nossa experiência cotidiana: as ondas do mar.

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O ponteiro acima conta o número de ondas que passam por qualquer ponto da figura. O número de ondas que passam por um ponto é o que chamamos de freqüência de onda. Geralmente a freqüência de uma onda é medida em número de ondas por segundo ou Hertz (Hz) e representado pela letra grega ?.

Outra forma de caracterizar uma onda é pelo seu comprimento, geralmente representado pela letra grega ?. A figura abaixo mostra que o comprimento de onda é a distância entre dois máximos ou dois mínimos da onda.

Luz

O comprimento de onda.

Note que o comprimento de onda multiplicado pelo número de ondas que atravessam um ponto por unidade de tempo nos dá a velocidade de propagação desta onda. Matematicamente, Luzé a velocidade da luz no vácuo. Como a velocidade da luz é fixa em um dado meio, a fórmula acima significa que quanto menor o comprimento de onda, maior a freqüência da onda e vice-versa.

Uma pergunta importante, que ainda não respondemos é: que forma de energia as ondas de luz carregam de um ponto a outro? Sabemos que as ondas na superfície da água levam energia mecânica da água. É o caso das ondas que se formam ao jogarmos uma pedra em um lago tranquilo; ou ainda o caso das ondas do mar que se quebram numa praia, que aumentam de tamanho quando um navio passa perto. No caso da luz, a energia por ela transportada não é mecânica, mas sim eletromagnética. Ou seja, são perturbações nas propriedades eletromagnéticas, mais especificamente nos vetores campo elétrico e campo magnético, que se propagam pelo espaço através da luz. Por isso, um sinônimo para a luz pode ser “ondas eletromagnéticas” ou “radiação eletromagnética”. As figuras abaixo procuram mostrar a forma como variam os campos elétrico E e magnético B com a passagem da luz.

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O campo eletromagnético.

Notem que os campos elétrico e magnético oscilam em direções perpendiculares entre si e perpendiculares à direção de propagação da onda. Em resumo, podemos dizer que o fenômeno da luz é um fenômeno ondulatório, pelo qual energia associada ao campo eletromagnético se propaga por um meio, perturbando este campo ao fazê-lo.

A freqüência e o comprimento das ondas eletromagnéticas variam enormemente. A luz visível, à qual nossos olhos são sensíveis, tem comprimentos de onda no domínio 4000 < ? < 7000 Angstroms, onde 1 Angstrom = 1 A = 10-10 m. As ondas de luz visível são, portanto, extremamente pequenas. Como a velocidade da luz é conhecida, podemos calcular a faixa de freqüências correspondente, já que ? = c / ?. Logo, 4.3×1014 < ? < 7.5×1014 Hz. Nossos olhos distinguem ondas de luz visível de diferentes freqüências como cores diferentes. A luz violeta tem ? = 4000 A, enquanto que a luz vermelha, no outro extremo do arco-íris, tem ? = 7000 A. Note que há luz com comprimentos de onda tanto maiores quanto menores do que os limites da luz visível. A famosa radiação ultra-violeta, da qual a camada de ozônio nos protege, tem comprimentos de onda menores do que 4000A, em torno de ? = 3000A. Nosso olhos não captam esta radiação, mas nossa pele com certeza sofre com ela! Em comprimentos de onda ainda menores, chegamos aos raios-X e depois aos raios gama. Para além da luz vermelha, temos ondas infra-vermelhas, microondas e ondas de rádio. Todas fazem parte do mesmo fenômeno: a radiação eletromagnética.

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O espectro eletromagnético.

A figura acima resume os diferentes domínios das ondas eletromagnéticas, mostrando o que chamamos de espectro eletromagnético. O comprimento de onda decresce da esquerda para a direita, mostrando a seqüência das ondas de rádio até os raios gama. Os valores de ?, em metros, são dados. São também mostrados objetos de tamanho comparável às ondas de cada domínio. As ondas de rádio, usadas em telecomunicações (TVs, rádios, etc) têm dimensões comparáveis a objetos de nossa experiência cotidiana. Note que a luz visível é uma fração ínfima de todo o espectro eletromagnético.

A Tabela abaixo dá os valores aproximados em comprimento de onda, frequência e energia para regiões selecionadas do espectro eletromagnético.

Espectro de Radiação Eletromagnética

Região Comp. Onda
(Angstroms)
Comp. Onda
(centímetros)
Frequência 
(Hz)
Energia 
(eV)
Rádio > 109 > 10 < 3 x 109 < 10-5
Micro-ondas 109 – 106 10 – 0.01 3 x 109 – 3 x 1012 10-5 – 0.01
Infra-vermelho 106 – 7000 0.01 – 7 x 10-5 3 x 1012 – 4.3 x 1014 0.01 – 2
Visível 7000 – 4000 7 x 10-5 – 4 x 10-5 4.3 x 1014 – 7.5 x 1014 2 – 3
Ultravioleta 4000 – 10 4 x 10-5 – 10-7 7.5 x 1014 – 3 x 1017 3 – 103
Raios-X 10 – 0.1 10-7 – 10-9 3 x 1017 – 3 x 1019 103 – 105
Raios Gama < 0.1 < 10-9 > 3 x 1019 > 105

Objetos astronômicos formam categorias bem distintas quando consideramos a radiação eletromagnética por eles emitida. Estrelas, por exemplo, emitem o grosso da sua luz na região do visível ou do infravermelho. As estrelas mais quentes também emitem muita luz no domínio do ultravioleta. Considerando-se agora não apenas a luz visível, mas os demais domínios espectrais, deixa de ser verdade que planetas e satélites como a Lua não emitem luz. Estes objetos emitem radiação no infravermelho distante, já perto do domínio de microondas. Há alguns tipos de objetos, como determinados núcleos de galáxias, que emitem muita radiação tanto de alta energia (raios X) quanto em rádio. Rádio-galáxias, por seu turno, emitem o grosso de suas ondas eletromagnéticas no domínio rádio. Há também galáxias luminosas em outros domínios, como no infravermelho. Estas em geral são ricas em poeira aquecida por estrelas quentes e jovens, pois a poeira absorve a luz dessas estrelas e reemite no infravermelho. Ao longo deste curso, ficará evidente a grande diversidade de fontes astronômicas, com emissão de luz caracterizada por espectros das mais variadas formas.

 A tabela abaixo indica, para cada região do espectro, os objetos astronômicos que podem ser estudados com maior eficiência nessa região.
Comprimento de Onda Objeto Característico
Raios Gama Objetos compactos em colisão (estrelas de neutrons, buracos negros, …)?
Raios X Estrelas de Neutrons
Ultravioleta Estrelas quentes, Quasares
Visível Estrelas
Infra-vermelho Estrelas Gigantes Vermelhas, Núcleos de galáxias
Infra-vermelho distante Proto-estrelas, poeira, planetas
Millímetro Poeira fria, nuvens moleculares
Rádio (cm) Hidrogênio neutro, pulsares

Fonte: www.if.ufrj.br

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Cor da luz

Conceitos Básicos

O estudo de luz e cor deve ser iniciado pela Física elementar, uma vez que a luz é uma onda eletromagnética. Sendo assim, da Física vem que, todas as ondas eletromagnéticas se propagam no vácuo com a mesma velocidade c com o valor de 3×108 m/s (velocidade da luz). Em decorrência deste fato, e sabendo-se a freqüência de de uma onda eletromagnética (f), no vácuo, pode-se determinar o comprimento de onda (l) desta radiação, através da seguinte equação: l = c/f.

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Desta forma, pode-se então exemplificar as ondas eletromagnéticas de maior importância nas pesquisas e nas aplicações práticas, em função do comprimento de onda (propriedade que fornece uma das principais características da onda): Raios-X (faixa de 10-1 até 10 A), ondas ultravioletas (faixa de 1 até 400 mm), o espectro de luz visível (faixa de 400 até 700 mm), ondas infravermelhas (faixa de 700 mm até 1 mm) e faixas de radiofreqüência que variam de 20 cm até 105 m.

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O espectro de luz visível, pode então assumir diversas cores (desde o violeta até o vermelho), em função do comprimento de onda, como exposto na tabela ao lado.

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Como o comprimento de uma onda da luz é muito pequeno (da ordem de 10-5 cm), a teoria da física se divide em dois grandes grupos: Ótica Física, que trata dos fenômenos ondulatórios da luz e Ótica Geométrica, que estuda o comportamento da onda quando esta interage com objetos muito maiores que o comprimento da onda da luz. Com relação ao nosso estudo se dará enfoque à Ótica Geométrica que assume que a direção de propagação da luz seja dada a partir de raios luminosos.

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Desta forma, vai-se discutir agora dois fenômenos da Ótica Geométrica: a refelexão e a refração. Para tal, supõe-se que haja um plano, ao qual incide um raio luminoso e que parte deste raio seja refletido por este plano e parte seja refratado. Define-se como ângulo de incidência como sendo o ângulo formado pelo raio e a normal a este plano, ângulo de reflexão entre a normal do plano e raio refletido e ângulo de refração como sendo entre a normal e o raio refratado.

Pode-se provar (por ex. pela Lei da Conservação da Quantidade de Movimento) que o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão (Lei da Reflexão), e que o ângulo de refração pode ser dado pela Lei de Snell, de acordo com o índice de refração de cada material

Como já foi dito anteriormente, as ondas eletromagnéticas se propagam no vácuo com a mesma velocidade c, ou seja, a velocidade da luz. Entretanto, quando estas ondas se propagam em um meio material, a velocidade de propagação de cada onda (v) passa a ser função do comprimento de onda da radiação. Sendo assim, pode-se definir como o índice de refração de uma luz monocromática como sendo h = c / v. Estes fenômenos de reflexão e refração estão presentes no dia a dia, e devido a eles que ocorrem as miragens no deserto, o efeito de uma estrada parecer molhada e o fenômeno do arco-íris.

Luz
Um experimento do conhecimento de todos é que quando a luz branca incide em um prisma, há a decomposição desta nas cores do arco-íris.

Utilizando os conceitos de refração, Isaac Newton provou que a luz branca continha todos os comprimentos de onda e que quando esta incidia no prisma, havia então a decomposição desta nas cores do arco-íris. Para provar tal fato, Newton utilizou dois prismas, colocando o segundo recebendo as cores geradas pelo primeiro e compondo novamente a luz branca. Esta experiência foi necessária, pois na época, acreditava-se que o prisma criava as cores espectrais.

Processo de Formação de Cores

Aproveitando-se então a conclusão de Newton, pode-se então definir que as fontes luminosas brancas possuem todos os comprimentos de onda. Em conseqüência, uma fonte luminosa colorida tem um comprimento de onda dominante que define a sua matiz.

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As fontes luminosas não são somente caracterizadas pela matiz (hue) que é a presença de um comprimento de onda dominante, também pode-se definir a intensidade ou brilho (brightness) – amplitude do comprimento de onda, e a saturação que é a concentração em torno do comprimento de onda dominante.

Tendo-se em mente, estas três principais características de uma fonte luminosa (matiz, brilho e saturação), vamos destacar um processo de formação de cores baseado na palheta de um pintor. Basicamente, tem-se de um lado tinta branca, do outro tinta preta e em uma outra extremidade tinta colorida (saturada). É intuitivo que ao se misturar a tinta saturada com a tinta branca há uma perda de pureza, tornando esta tinta mais clara (tints). Por outro lado, ao misturar-se esta tinta saturada com o preto ocorrerá uma perda de luminância, ou seja, tons mais escuros (shade). Os diversos tons de cinza (grays) aparecerão ao misturar-se a tinta branca com a preta, e todos os outros tons existentes ficarão espalhados dentro deste triângulo definido pelas cores branca, preta e tinta saturada, como mostra a figura abaixo.

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O processo de formação de cores por pigmentação, baseia-se na descrição da palheta do pintor, uma vez que a luz ao atingir a camada de pigmentos sofre processos de reflexão, absorção e transmissão (fenômeno conhecido como espalhamento) produzindo assim a(s) cor(es) desejada(s). Esta técnica, como não poderia deixar de ser, é muito utilizada na pintura de quadros.

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Um outro processo de formação de cores, é o chamado processo aditivo, um exemplo deste processo pode ser visto ao lado, onde duas fontes luminosas de cores diferentes são projetadas em duas regiões. Na área de interseção há a formação de uma nova cor, uma vez que, o olho não consegue distinguir componentes. O processo aditivo é usado, largamente nas televisões comerciais.

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Um outro processo de formação de cores é o subtrativo que é o processo utilizado em slides. Este processo baseia-se no uso de filtros ou corantes que tem por objetivo filtrar determinados comprimento de onda. Exemplificando, ao se emitir uma luz branca (que possui todos os comprimentos de onda) sobre um filtro verde, este filtra todos os comprimentos de onda deixando só “passar” o comprimento de onda relativa a cor verde, produzindo assim o verde. Na utilização de corantes o processo é o mesmo só que são usados pigmentos que absorvem e refletem alguns comprimentos de onda.

Percepção humana

Como já foi mencionado anteriormente no processo aditivo de formação de cor, o olho humano não consegue diferenciar componentes e sim a cor resultante; diferentemente do ouvido que consegue distinguir, por exemplo, dois instrumentos diferentes tocados simultaneamente. Desta forma, seria então, interessante saber algo mais sobre o olho humano, responsável pela visão.

Os raios luminosos incidem na córnea sendo então refratados. A seguir estes incidem sobre a lente que tem por objetivo projetá-los na retina. Na retina encontram-se dois tipos de fotoreceptores os cones e os bastonetes, que convertem a intensidade e a cor da luz recebida em impulsos nervosos. Estes impulsos são enviados ao cérebro através do nervo ótico e então tem-se a percepção de uma imagem.

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Os fotoreceptores do olho humano apresentam características totalmente diferentes. Existem na verdade três tipos de cones que respondem a espectro de cores distintos (vermelho, verde e azul), como mostrado ao lado. Sendo assim, diz-se que o sistema visual humano distingue as cores pelo processo da tricromacia. Nota-se que a eficiência do cone que responde a cor azul possui uma eficiência bem menor do que os outros dois tipos de cones.

Os bastonetes por sua vez, embora sejam maioria absoluta, só conseguem captar a luminosidade da cor, ou seja, só respondem a um espectro e desta forma não diferenciam cores.

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Sendo assim, na formação da imagem há uma interação dos cones e dos bastonetes, e decorrente desta interação ocorrem alguns fenômenos no sistema visual humano. O primeiro a ser destacado é que a percepção visual humana é logarítmica. Na figura a seguir, no primeiro quadro, os tons de cinza foram igualmente espaçados não se tendo uma impressão homogênea, parecendo que a faixa escura é mais densa. No segundo quadro, os tons de cinza foram perceptualmente espaçados, chegando-se aproximadamente numa escala logarítmica.

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Fonte: www.if.ufrj.br

Luz é uma energia invisível, a qual nos causa a sensação de visão através de nossos olhos.

Corpos luminosos são aqueles que irradiam luz.

Por exemplo, o sol, as estrelas e o fogo são corpos luminosos.

A luz do sol leva aproximadamente oito minutos para atingir a superfície da Terra.

Corpos não-luminosos são aqueles que não irradiam sua própria luz e somente se tornam visíveis quando refletem outras fontes de luz aos nossos olhos.

Por examplo, a lua e os planetas são corpos não-luminosos.

A luz sempre viaja em linha reta.

Um raio de luz é a trajetória em linha reta através do qual a energia luminosa se desloca em uma determinada direção.

Um feixe paralelo é a coleção de raios de luz em que os raios permanecem à mesma distância um dos outros.

Um feixe convergente é a coleção de raios de luz em que os raios lentamente convergem (se aproximam e finalmente se encontram em um ponto) conforme o feixe progride.

Um feixe divergente é a coleção de raios de luz em que os raios lentamente divergem (se afastam a partir de um ponto) conforme o feixe progride.

Meio óptico é qualquer meio através do qual a energia luminosa possa passar parcialmente ou totalmente.

Meio transparente é aquele que permite que a energia luminosa passe através dele quase completamente.

Portanto, todos os objetos são visíveis e podem ser vistos claramente através de meios transparentes tais como água e vidro claro.

Meio translúcido é aquele que permite que a energia luminosa passa através dele parcialmente (mas não completamente).

Portanto, objetos são visíveis mas não podem ser vistos claramente através de meios translúcidos tais como vidro jateado e lenço de papel.

Corpo opaco é aquele que não permite que a energia luminosa o atravesse.
Portanto, objetos não podem ser vistos através de corpos opacos, tais como madeira e metal.

Sombra é a região escura formada atrás de um corpo opaco quando este está posicionado no caminho da luz.

Ela consiste de duas regiões, chamadas umbra e penumbra.

Umbra é a região de escuridão total onde a luz não consegue alcançar.

Penumbra é a região de escuridão parcial situada ao redor da umbra.

Eclipse é a sombra projetada por corpos celestes uns sobre os outros.

Eclipse Solar ocorre quando a lua está entre o sol e a Terra.

A lua ocasionalmente fica alinhada entre o sol e a Terra.

Vista de algumas partes da Terra, a lua cobre o sol parcialmente ou totalmente.

Isto bloqueia a luz e causa um breve período de escuridão chamado eclipse solar (parcial ou total).

Quando a lua fica precisamente alinhada entre o sol e a Terra, ela cobre o centro do sol perfeitamente.

Somente um anel de luz solar aparece ao redor da sombra da lua.

Este tipo de eclipse é chamado de eclipse anular.

Eclipse Lunar ocorre quando a Terra está entre o sol e a lua.

A Terra ocasionalmente fica alinhada entre o sol e a lua.

Quando isto ocorre, a Terra bloqueia a luz do sol e projeta sua sombra sobre a superfície da lua.

Vista da Terra, esta sombra cobrindo a lua é conhecida como eclipse lunar.

O eclipse lunar ocorre com maior freqüência e dura por mais tempo do que um eclipse solar.

Claridade de uma superfície é igual a potência (intensidade luminosa) da fonte de luz dividida pelo quadrado da distância.

Claridade de uma superfície = Potência (intensidade luminosa) da fonte de luz / Distância2

Geralmente, claridade é medida em lux e a potência (intensidade luminosa) da fonte de luz é medida em candelas (cuja abreviatura é cd), enquanto a distância é medida em metros.

O fotômetro é o instrumento utilizado para comparar as intensidades luminosas de duas fontes de luz.

Fonte: br.syvum.com

Luz

Desde pequenos notamos que há uma sucessão cíclica de dias e noites, como conseqüência do movimento aparente do Sol. Sabemos que o Sol transmite luz e calor e que, devido á rotação da terra, um lado da Terra é iluminado

Além do Sol conhecemos outras fontes de luz como as lâmpadas elétricas, velas e até mesmo através do fogo. Hoje em dia não se vê com freqüência lamparinas e lampiões de gás os quais eram comuns no final do século passado.

Os nossos sentidos nos dão conta de que as luzes provêm de fontes luminosas as quais classificamos como fontes primárias ou secundárias. Fontes primárias são aquelas que produzem luz. Como exemplos podemos citar o Sol, a lâmpada elétrica e o fogo. Dizemos que as fontes primárias têm luz própria. Já as fontes secundárias transmitem a luz recebida de uma fonte primária. Por exemplo, a Lua que reflete a luz do Sol. Estrelas são fontes primárias mas, com exceção do Sol que está relativamente perto de nós, aparentam pouca luminosidade por estarem a muitos anos-luz de distância. Por outro lado, planetas como Vênus, Marte, e Júpiter, que são fontes secundárias como a Lua, tem aparência de estrelas.

Nas fontes primárias há a produção de energia em quantidade suficiente de forma a garantir que haja emissão de luz e calor. Os processos de produção da luz são os mais distintos.

Numa vela a combustão queima-se o pavio. O processo de combustão gera a produção de luz. A combustão faz derreter a parafina que em temperatura ambiente é sólida. Como consequencia do calor gerado, além de derreter, a parafina passa do estado líquido para o gasoso. O gás sobe por convecção e é queimado produzindo uma chama colorida. As regiões com cores diferentes correspondem a temperaturas diferentes.

Numa lâmpada elétrica o filamento de tungstênio é aquecido a altíssimas temperaturas através da passagem de uma corrente elétrica. Nesse processo existe a emissão de calor e luz.

No sol, parte da energia liberada em reações envolvendo os núcleos dos átomos (reações nucleares), é utilizada para a emissão de luz.

Nas lâmpadas fluorescentes a eletricidade faz com que os átomos do gás existentes dentro do tubo da lâmpada sejam excitados. Esses mesmos átomos produzem luz ao se desexcitarem.

Os nossos olhos reagem à luz incidente na pupila. A luz emitida por uma fonte ou aquela refletida num objeto, excita determinadas células localizadas no globo ocular e com isso adquirimos a sensação da visão a cores. 
Mas, e o que é a luz?

Luz

Desde a antiguidade filósofos e cientistas se dedicaram para explicar os fenômenos observados com a luz e discutiram sobre a natureza da luz.

Entre os antigos gregos, a escola pitagórica acreditava que todo objeto visual emitia partículas. Já Aristóteles concluiu que a luz era um fenômeno ondulatório. Newton acreditava na natureza particular da luz (1672) embora no decorrer do tempo tenha manifestado sérias dúvidas a respeito. Essa controvérsia continuou ao longo dos tempos até a formulação da teoria aceita atualmente: a teoria dos fótons.

Os antigos gregos descobriram que a luz se propaga em linha reta. Heron de Alexandria descobriu em experiências feitas com espelhos, que um feixe de luz refletida volta ao meio com o mesmo ângulo de incidência. O grego Claudius Ptolomy fez uma lista de ângulos de incidência e de refração que podem ter sido anotações de observações da refração na interface ar-água.

Luz

Em 1621 um matemático holandês Snell explicou o fenômeno observado quando se coloca um bastão reto dentro da água. Dependendo da inclinação, a parte submersa aparenta ter outra direção. Parece ser um bastão quebrado. Se o bastão é colocado perpendicularmente à superfície, não se mostrará truncado.

Snell mostrou que quando a luz atravessa o ar e encontra uma superfície de água, parte da luz é refletida na superfície da água como previsto por Heron e parte da luz entra no outro meio, mudando de direção, mas continua caminhando em linha reta. Não há contradição com a teoria que a luz caminha em linha reta, porque em cada meio transparente a teoria é respeitada.

Luz

A luz, que leva a imagem do bastão aparentemente truncado para os nossos olhos, se propaga em linha reta no ar, muda de direção ao atravessar a interface água-ar e continua em linha reta dentro da água. A luz bate e reflete no bastão, se propaga até chegar e impressionar os nossos olhos. As deflexões sofridas pelos raios de luz nas interfaces de meios diferentes dão a sensação de quebra do bastão.

Snell estudou a propagação da luz em diferentes meios como ar, vidro e água e notou que cada interface determina um desvio diferente e deu o nome de refração para a deflexão observada. Materiais diferentes apresentam índices de refração diferentes. Foi um outro holandês Christian Huygens que sugeriu que os índices de refração estão relacionados à velocidade da luz ao atravessar esses materiais.

1. Princípio da constância da velocidade da luz

A velocidade da luz é a mesma para qualquer observador.

Este princípio foi proposto por Einstein em sua famosa Teoria da Relatividade. Ele estabelece que a velocidade da luz é independente do observador. Isso dá a ela (a velocidade da luz) um caráter absoluto.

Com isso queremos dizer o seguinte. Se um indivíduo em repouso medir a velocidade da luz e encontrar um valor (designamos por a velocidade da luz), então alguém em movimento em relação a ele encontrará o mesmo valor ( ). Por exemplo, um indivíduo em movimento numa nave realizando uma viagem interplanetária encontrará o mesmo valor para a velocidade da luz.

Este princípio é bastante surpreendente. Foge da nossa intuição. Ele lançou as bases para o estabelecimento da Teoria da Relatividade de Einstein.

Num primeiro momento podemos ter a impressão de que a luz chega num ponto do espaço no mesmo instante que a produzimos. Isto é, um quarto parece ficar iluminado instantaneamente. No entanto, a rigor, isso não ocorre pois a luz se propaga com velocidade finita.
O primeiro a verificar que a luz tem uma velocidade de propagação finita foi Roemer. Roemer percebeu que a luz demorava cerca de 11 minutos para viajar do Sol até a Terra. Roemer divulgou sua descoberta em 1676 para a Academia Real de Ciências.

Roemer chegou a essa conclusão depois de examinar os eclipses dos satélites de Júpiter. Roemer verificou que esses eclipses ocorriam cerca de 11 minutos antes do horário previsto pelas teorias astronômicas quando a Terra está entre o Sol e Júpiter. Quando a Terra está além do Sol, os eclipses ocorriam cerca de sete ou oito minutos depois do tempo que deveriam ocorrer. Concluiu, portanto, que o tempo gasto pela luz para se propagar do Sol até a Terra seria algo entre sete e oito minutos. Encontrou o valor da velocidade da luz no vácuo de ………….

Hoje sabemos que a velocidade da luz no vácuo é de

c = 299.792.458 m/s

Luz

O sol é uma fonte primária de luz. Ao longo do dia ele produz luz, calor e muitas particulas que atingem a terra. Depois de viajar durante cerca de 8 minutos a luz produzida no Sol atinge a superficie terrestre. O efeito da rotação da terra gera a impressão de “falta de luz” numa das metades do globo terrestre.

Luz

À noite usamos a luz elétrica como nossa principal fonte de luz. Isso no entanto só aconteceu a partir do final do seculo XIX. Thomas Edson foi o inventor das lâmpadas de filamento, muito comuns hoje. Antigamente usavam-se lampiões, tochas, fogueira, etc.

Luz

A Lua é uma fonte secundária de luz pois ela recebe e reflete a luz proveniente do Sol.

Fonte: efisica.if.usp.br

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