Óptica Geométrica

Objetivo de Aprendizagem 13.1.A: Descrever a luz como um raio.

• 13.1.A.1 Um raio de luz é uma linha reta que é perpendicular à frentes de onda de uma onda de luz e aponta na direção de deslocamento da onda.
  • 13.1.A.1.i Raios de luz podem ser usados para determinar o comportamento da luz na óptica geométrica, onde a natureza ondulatória da luz pode ser desprezada.
  • 13.1.A.1.ii Raios não são suficientes para compreender o espalhamento da luz. Na interferência e difração, a natureza ondulatória da luz é importante.
  • 13.1.A.1.iii Um laser é uma fonte comum de um feixe único de luz coerente e monocromática que pode ser modelado como um raio. A natureza ondulatória dos lasers será considerada na Unidade 14.
• 13.1.A.2 Diagramas de raios representam o caminho da luz antes e depois de uma interação com a matéria.

Objetivo de Aprendizagem 13.1.B: Descrever a reflexão da luz de uma superfície.

• 13.1.B.1 A luz incidente em uma superfície pode ser refletida.
• 13.1.B.2 A lei da reflexão afirma que o ângulo entre o raio incidente e a normal (a linha perpendicular à superfície) é igual ao ângulo entre o raio refletido e a normal.
  • Equação: $\theta_i = \theta_r$
• 13.1.B.3 A reflexão difusa é a reflexão da luz de uma superfície áspera e resulta em luz refletida em muitas direções diferentes, porque a linha normal à superfície varia sobre a área sobre a qual a luz incide.
• 13.1.B.4 A reflexão especular é a reflexão da luz de uma superfície lisa e resulta em luz refletida uniformemente da superfície, porque a linha normal à superfície tem uma direção aproximadamente constante sobre a área onde a luz incide.

Objetivo de Aprendizagem 13.2.A: Descrever a imagem formada por um espelho.

• 13.2.A.1 Raios de luz incidentes paralelos ao eixo principal de um espelho côncavo (convergente) serão refletidos em direção a um local comum, chamado ponto focal.
• 13.2.A.2 Raios de luz incidentes paralelos ao eixo principal de um espelho convexo (divergente) serão refletidos de modo que pareçam ter originado-se de um local comum atrás do espelho, chamado ponto focal.
• 13.2.A.3 O ponto focal de um espelho plano está a uma distância infinita do espelho.
• 13.2.A.4 O ponto focal de um espelho esférico pode ser aproximado como um ponto localizado no eixo principal do espelho a meio caminho entre a superfície do espelho e o centro do raio de curvatura do espelho.
• 13.2.A.5 Uma imagem real é formada por um espelho quando raios de luz emanando de um ponto comum são refletidos e depois intersectam em um ponto comum.
• 13.2.A.6 Uma imagem virtual é formada por um espelho quando raios de luz refletidos divergem de modo que parecem ter originado-se de um ponto comum.
• 13.2.A.7 A localização de uma imagem depende da distância focal do espelho e da distância entre o objeto e a superfície do espelho.
  • Equação: $\dfrac{1}{s_i} + \dfrac{1}{s_o} = \dfrac{1}{f}$
  • 13.2.A.7.i As localizações do ponto focal de um espelho, um objeto próximo ao espelho e a imagem do objeto formada pelo espelho seguem convenções de sinal usadas para determinar essas localizações em relação ao próprio espelho.
  • 13.2.A.7.ii A distância entre a imagem formada e um espelho plano é igual à distância entre o objeto e o espelho plano.
• 13.2.A.8 A ampliação de uma imagem formada por um espelho é a razão entre o tamanho da imagem produzida e o tamanho do próprio objeto e depende das localizações do objeto e da imagem em relação ao espelho.
  • Equação: $|M| = \left| \dfrac{h_i}{h_o} \right| = \left| \dfrac{s_i}{s_o} \right|$
• 13.2.A.9 Diagramas de raios podem ser usados para determinar a localização, tipo, tamanho e orientação de imagens formadas por espelhos.
  • 13.2.A.9.i Três raios principais são tipicamente usados para encontrar as imagens formadas por espelhos. Os raios principais são 1) o raio paralelo ao eixo principal, 2) o raio que reflete no centro do espelho onde o eixo principal intersecta o espelho, e 3) o raio que passa pelo ponto focal do espelho.
  • 13.2.A.9.ii Imagens formadas por um espelho podem estar eretas ou invertidas, virtuais ou reais, e reduzidas, ampliadas ou do mesmo tamanho do objeto.

Declaração de limite: AP Physics 2 limita o estudo de espelhos a espelhos planos, espelhos esféricos convexos e espelhos esféricos côncavos.

Objetivo de Aprendizagem 13.3.A: Descrever a refração da luz entre dois meios.

• 13.3.A.1 A refração é a mudança na direção de um raio de luz enquanto o raio passa de um meio para outro.
• 13.3.A.2 A refração é resultado da mudança na velocidade da luz quando a luz entra em um novo meio.
• 13.3.A.3 O índice de refração de um dado meio é inversamente proporcional à velocidade da luz no meio.
  • Equação: $n = \dfrac{c}{v}$
• 13.3.A.4 A lei de Snell relaciona os ângulos de incidência e refração de um raio de luz passando de um meio para outro aos índices de refração dos dois meios.
  • Equação: $n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2$
  • 13.3.A.4.i Quando um raio de luz viaja de um meio com um índice de refração maior para um meio com um índice de refração menor, o raio refrata afastando-se da normal.
  • 13.3.A.4.ii Quando um raio de luz viaja de um meio com um índice de refração menor para um meio com um índice de refração maior, o raio refrata aproximando-se da normal.
  • 13.3.A.4.iii Quando um raio de luz incide ao longo da normal de uma superfície, o raio transmitido não é refratado.
• 13.3.A.5 A reflexão interna total pode ocorrer quando a luz passa de um meio para outro meio com um índice de refração menor.
  • 13.3.A.5.i A reflexão interna total da luz ocorre além de um ângulo crítico de incidência.
    • Equação derivada: $\theta_{\text{critical}} = \sin^{-1}\left( \dfrac{n_2}{n_1} \right)$
  • 13.3.A.5.ii Para raios incidentes no ângulo crítico, o raio refrata a 90 graus e viaja ao longo da superfície do material.
  • 13.3.A.5.iii Para raios incidentes além do ângulo crítico, toda a luz é refletida (nenhuma luz é transmitida para o outro meio).

Objetivo de Aprendizagem 13.4.A: Descrever a imagem formada por uma lente.

• 13.4.A.1 Raios de luz incidentes paralelos ao eixo principal de uma lente fina convexa (convergente) serão refratados e convergir em direção a um local comum no lado transmitido da lente, chamado ponto focal.
• 13.4.A.2 Raios de luz incidentes paralelos ao eixo principal de uma lente fina côncava (divergente) serão refratados e divergir como se tivessem originado-se de um ponto focal no lado de incidência da lente.
• 13.4.A.3 Uma imagem real é formada por uma lente quando raios de luz originários de um ponto comum são refratados de modo que intersectem em outro ponto comum.
• 13.4.A.4 Uma imagem virtual é formada por uma lente quando raios de luz refratados divergem de modo que parecem ter originado-se de um ponto comum.
• 13.4.A.5 Para uma lente fina, a posição de uma imagem depende da distância focal da lente e da distância entre o objeto e a linha central da lente, conforme dado pela equação das lentes finas:
  • Equação: $\dfrac{1}{s_i} + \dfrac{1}{s_o} = \dfrac{1}{f}$
  • 13.4.A.5.i As posições do ponto focal de uma lente, de um objeto e da imagem do objeto formada pela lente seguem convenções de sinal que são usadas para determinar essas posições em relação à própria lente.
  • 13.4.A.5.ii Lentes possuem um ponto focal em ambos os lados da lente que depende da forma do respectivo lado da lente.
• 13.4.A.6 Para uma lente fina, a ampliação de uma imagem é a razão entre o tamanho da imagem produzida e o tamanho do próprio objeto e depende das posições do objeto e da imagem em relação à lente.
  • Equação: $|M| = \left| \dfrac{h_i}{h_o} \right| = \left| \dfrac{s_i}{s_o} \right|$
• 13.4.A.7 Diagramas de raios podem ser usados para determinar a posição, tipo, tamanho e orientação de imagens formadas por lentes.
  • 13.4.A.7.i Os três raios principais são tipicamente usados para encontrar as imagens formadas por lentes. Os raios principais são 1) o raio paralelo ao eixo principal, 2) o raio que passa pelo centro da lente onde o eixo principal intersecta a lente, e 3) o raio que passa pelo ponto focal da lente.
  • 13.4.A.7.ii Imagens formadas por uma lente podem estar eretas ou invertidas, virtuais ou reais, e reduzidas, ampliadas ou do mesmo tamanho do objeto.