historia optica

História da Física 2

Prof. Roberto de A. Martins

A óptica física, do século XVII ao XIX - 1

http://ghtc.ifi.unicamp.br/hf2.htm

Antigüidade

Desde a Antigüidade já se conheciam as leis da reflexão em espelhos planos e curvos (Euclides) e uma lei aproximada da refração (Ptolomeu).

Euclides

Existiam discussões sobre a natureza da luz, das cores, a causa do arco-íris e outros fenômenos.

Aristóteles

Aristóteles considerava que a luz não podia ser uma “coisa” (substância) porque a luz passa pela luz sem nenhum impedimento.

Ela seria apenas uma propriedade adquirida pelos corpos transparentes.

Aristóteles

Aristóteles

Perspectiva

As leis da perspectiva, que se baseiam na propagação retilínea da luz, foram estudadas no período medieval e aplicada ao desenho e à pintura na época do Renascimento.

Leonardo da Vinci deixou vários estudos teóricos sobre perspectiva.

da Vinci

Propriedades das lentes

Eram conhecidas várias propriedades das lentes, como sua capacidade de concentrar a luz e queimar objetos.

Idade Média

Óculos eram utilizados pelo menos desde o século XIII

Telescópio

No início do século XVII foram construídas as primeiras lunetas, na Holanda.

Galileo também construiu uma luneta,em 1609, e a utilizou para observaros astros.

Johannes Kepler

Kepler publicou duas obras sobre óptica, nas quais explicou as propriedades das lentes e lunetas, utilizando uma lei aproximada da refração e introduzindo o conceito de imagens reais e virtuais.

A óptica no século XVII

• óptica geométrica – propagação retilínea, reflexão, refração, espelhos, lentes, aparelhos

• fenômenos de cores – arco-íris, prismas e cristais, bolhas de sabão, cores produzidas em reações químicas

Os estudos do século XVII procuravam explicar os fenômenos que já eram conhecidos:

A óptica no século XVII

A invenção dos telescópios e microscópios estimulou muito o estudo da óptica, no século XVII.

Surgiram muitos trabalhos sobre a natureza da luz, como os de Descartes.

Descartes

Descartes

Segundo Descartes, as estrelas são constituídas por aglomerações de partículas muito pequenas, que se movem muito depressa, no centro de turbilhões.

A pressão exercida por essas partículas se propaga em volta e é a causa da luz.

Descartes

A visão seria produzida por essa pressão, que se propaga pelas partículas existentes em todo o espaço.

Descartes compara a visão ao modo como os cegos tomam conhecimento dos objetos, pelo tato.

Descartes

Ele comparou a propagação da luz à propagação de movimento em uma série de bolas de bilhar alinhadas: batendo na primeira, a última se move quase instantaneamente.

Descartes

Esse movimento pode passar nos dois sentidos, sem que um interfira no outro, obedecendo assim às propriedades da luz.

Descartes

A luz se propaga instantaneamente, segundo Descartes (ou MUITO rápido), caso contrário os eclipses da Lua não ocorreriam quando ela está alinhada em oposição ao Sol.

Descartes

Embora a luz não fosse um movimento propriamente dito, mas uma pressão (tendência ao movimento), Descartes explicou a reflexão e a refração utilizando analogias mecânicas.

Descartes

Descartes procurou explicar também as cores do arco-íris.

Supôs que as diferentes cores estariam associadas a rotações das partículas, com diferentes velocidades.

DescartesEstudou também as cores

produzidas por prismas e cristais.

Reconheceu que as diferentes cores sofriam refrações em direções diferentes.

No entanto, não pensou que a luz branca do Sol já contivesse todas as cores, como Newton fará depois.

A óptica no século XVIINa Inglaterra, Boyle e Hooke publicaram obras sobre

luz e cores em 1664 e 1665.

Robert Boyle

Robert Hooke

Robert Hooke

Hooke desenvolveu um novo tipo de microscópio e descreveu seus estudos na Micrographia (1665).

Robert Boyle

Robert Hooke

Hooke defendeu uma teoria de que a luz seria constituída por ondas (pulsos não periódicos)

Tentou explicar as cores produzidas nos prismas supondo que as ondas sofrem mudanças quando são refratadas e a frente de onda não é mais perpendicular à direção de propagação da luz.

Robert HookeO lado da onda que fica mais

avançado produziria a sensação de vermelho.

O outro lado produziria a sensação de azul.

Quando o feixe se afasta e amplia, o azul e o vermelho se misturam e produzem todas as cores observadas no arco-íris e nos prismas.

PrismasPara entendermos a idéia de Hooke é importante

esclarecer uma coisa sobre as cores produzidas pelos prismas.

Em sua maioria, as figuras que costumam ser utilizadas para explicar a produção de cores nos prismas são completamente erradas

Prismas

Algumas são mais erradas do que as outras...

PrismasAs cores não aparecem todas logo depois que a luz

atravessa o prisma, mas apenas a certa distância.

Prismas

Hooke estava tentando explicar aquilo que realmente é observado quando se examina a luz que sai de um prisma, perto dele.

Robert Hooke

Hooke considerou que a luz branca era simples, e que sofria mudanças ao ser refratada.

O azul e o vermelho seriam as duas cores fundamentais, e todas as outras seriam misturas delas entre si e/ou com o branco.

Newton

Quando Boyle e Hooke publicaram seus trabalhos, Newton tinha 23 anos.

Ele se interessou pelos fenômenos das cores produzidos nos prismas e em outros fenômenos descritos por Boyle.

Comprou um prisma e começou a fazer experimentos.

Newton

Newton

Notou que a mancha colorida projetada pelo prisma era alongada.

Explicou o fenômeno supondo que a luz branca do Sol era uma mistura de cores e que cada cor sofria uma refração diferente no prisma.

Newton

Newton, influenciado pela “filosofia corpuscular”, imaginou desde o início que a luz seria constituída por corpúsculos.

No entanto, seu estudo da composição da luz do Sol era independente desse tipo de hipóteses.

A óptica no século XVII

Foram também descobertos novos fenômenos ópticos que precisavam ser explicados:

• Dupla refração (Bartholinus)

• Difração (Grimaldi)• Polarização (Huygens)• Anéis de Newton

Grimaldi

O fenômeno de difração foi descoberto pelo padre jesuíta Francesco Maria Grimaldi (1618-1663), de Bolonha.

O trabalho de Grimaldi só foi publicado depois de sua morte, em 1666.

Grimaldi

Bartholinus

O dinamarquês Erasmus Bartholinus (1625-1698) foi o primeiro a descrever o fenômeno da dupla refração no “espato da Islândia” (calcita).

Ele notou que qualquer objeto observado através do cristal ficava duplo.

Bartholinus

Bartholinus

Em 1670 Bartholinus publicou suas observações e experimentos

Bartholinus

Ele notou que a luz se dividia em dois caminhos diferentes ao passar pelo cristal.

Um dos feixes obedecia às leis normais da refração.

O outro feixe não obedecia, era “anômalo”.

Dupla refração

Atualmente interpretamos a dupla refração sob o ponto de vista de dois estados de polarização da luz.

Bartholinus não deu nenhuma explicação para a dupla refração.

Grimaldi

“A luz se propaga ou difunde não apenas em linha reta, por refração e por reflexão, mas também de um quarto modo – por difração”

“Difração” = diffractio em latim, vem de dis+frangere = quebrar em partes

Difração

Grimaldi fez um furo em uma janela, pelo qual entrava a luz do Sol, produzindo um cone de luz no quarto escuro (porque o Sol não é visto como um ponto).

Colocou um papel branco no chão, para fazer observações.

Difração

Colocou então no cone de luz um pequeno objeto e notou que sua sombra era maior do que se poderia calcular supondo que a luz caminhasse em linha reta.

Difração

Além disso, observando a borda da sombra, notou faixas claras e escuras, coloridas.

Cada faixa clara era azulada de um lado (mais próximo da sombra) e avermelhada do outro (lado mais afastado da sombra).

Também notou que as faixas iam se tornando mais estreitas à medida que se afastavam da sombra.

Difração

Além disso, observando a borda da sombra, notou faixas claras e escuras, coloridas.

Cada faixa clara era azulada de um lado (mais próximo da sombra) e avermelhada do outro (lado mais afastado da sombra).

Também notou que as faixas iam se tornando mais estreitas à medida que se afastavam da sombra.

Difração

Atualmente é mais fácil observar as franjas de difração, utilizando luz monocromática, como a de um laser. Com luz branca é muito mais difícil ver as franjas.

Duas teorias conflitantes

As duas teorias mais detalhadas, propostas no final do século XVII, para explicar os fenômenos luminosos, foram as de Newton e de Huygens.

Isaaco Newtono

Como veremos, Newton procurou explicar um número de fenômenos muito maior do que a teoria de Huygens podia explicar.

FIM