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Luz

Sombras e propagação retilínea da luz, espelhos, refração e reflexão interna total, lentes e o olho, cores e prismas, além da longa busca para medir a velocidade da luz. No laboratório de ondas, você acompanha raios através de vidro, água e lentes, traçados com a lei de Snell e a equação das lentes delgadas.

Progresso

Sobre este curso

Em 1849, Hippolyte Fizeau cronometrou a luz num percurso de ida e volta de cerca de 17 km com uma roda giratória de 720 dentes. É assim que o longo esforço para medir a velocidade da luz aparece neste curso, como a última das seis unidades sobre o comportamento da luz. As unidades anteriores tratam do que você pode ver com seus próprios olhos: sombras, espelhos, vidro, água, lentes e arco-íris.

As unidades começam com as sombras. Num eclipse solar total, o centro escuro da sombra da Lua muitas vezes cobre uma faixa de menos de 50 milhas de largura, enquanto a penumbra se estende por mil milhas ou mais. Segue a reflexão, com o fato de que um espelho plano só precisa ter metade da sua altura para mostrar seu corpo inteiro. Na unidade de refração, a luz dentro de um diamante só consegue sair se atingir a superfície a até 24.4° da normal, e é por isso que os diamantes brilham. Lentes e o olho mostra que o olho aumenta sua potência de cerca de 50 para 54 dioptrias para focar um livro a 25 cm. Na unidade de cor, o vidro crown tem índice de refração de 1.530 para a luz violeta de 410 nm e 1.512 para a vermelha de 660 nm, então o violeta se curva mais. O laboratório de ondas traça raios com a lei de Snell e a equação das lentes delgadas. Reduza a lâmpada a um ponto e a penumbra desaparece, e arraste a seta do objeto para além de 2F para ver a imagem encolher.

A dispersão nem sempre é bem-vinda. A OpenStax observa que a luz branca enviada por uma fibra óptica se espalharia no tempo, e esse é um dos motivos pelos quais as redes de fibra usam lasers.

Antes de começar

Refração e cor fazem mais sentido se você já viu o comprimento de onda em Ondas e som, embora as unidades de raios sobre sombras e espelhos se sustentem sozinhas. Algumas questões usam senos e a fórmula das lentes, então Trigonometria é uma base útil, junto com uma calculadora.

Ao terminar

Depois você vai poder calcular a largura de uma sombra com triângulos semelhantes, explicar por que um espelho de corpo inteiro só precisa ter metade da sua altura e achar o ângulo crítico do diamante. Vai localizar a imagem formada por uma lente, expressar a potência do olho em dioptrias, dizer onde o Sol precisa estar para haver um arco-íris e acompanhar a medição da velocidade da luz de Fizeau com a roda dentada.

  1. 1A luz se propaga em linha reta: sombrasEm um eclipse solar total, o centro escuro da sombra da Lua costuma cobrir uma faixa com menos de 50 milhas de largura, enquanto a sombra parcial se estende por mil milhas ou mais.
  2. 2Reflexão e espelhosPara ver o corpo inteiro em um espelho plano, basta um espelho com metade da sua altura, não importa a que distância você esteja.
  3. 3Refração e reflexão interna totalA luz dentro de um diamante só consegue sair se atingir a superfície a até 24.4° da normal, o que explica seu brilho.
  4. 4Lentes e o olhoSeu olho focaliza um livro a 25 cm de distância aumentando a vergência de cerca de 50 para 54 dioptrias, uma variação de 8%.
  5. 5Cores, prismas e arco-írisO vidro crown desvia a luz violeta de 410 nm um pouco mais do que a luz vermelha de 660 nm, pois seu índice de refração é 1.530 para o violeta e 1.512 para o vermelho.
  6. 6Medindo a velocidade da luzEm 1849, Hippolyte Fizeau mediu o tempo de ida e volta da luz em um percurso de cerca de 17 km usando uma roda giratória com 720 dentes.

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Fontes deste curso (16)
  • OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 25.2 The Law of Reflection (θr = θi, diffuse vs mirror reflection, image as far behind the mirror)
  • 25.3 The Law of Refraction (Roemer 1676 data -> 2.26 × 10⁸ m/s, about 25% low; Michelson rotating mirrors with a fixed mirror 35 km away, 0.04%; c = 2.99792458 × 10⁸ m/s; n = c/v; Table 25.1 air 1.000293, water 1.333, ice 1.309, crown glass 1.52, flint 1.66, polystyrene 1.49, zircon 1.923, diamond 2.419; Snell's law; 30.0° -> 22.0° gives 1.33; air to diamond 30.0° -> 11.9°; zircon 1.56 × 10⁸ m/s; Ibn Sahl 984; Snell 1580 to 1626; lawn-mower analogy)
  • 25.4 Total Internal Reflection (mirror more than 90%; θc = sin⁻¹(n2/n1); polystyrene 42.2°, water 48.6°, diamond 24.4°; fibre optics, cladding; corner reflectors on bicycles and on the Moon; binoculars)
  • 25.5 Dispersion (Kamal al-Din al-Farisi 1267 to 1319, camera obscura and a water-filled glass vessel; Theodoric of Freiberg; Ibn al-Haytham; about six rainbow colours; Table 25.2 n at 660/610/580/550/470/410 nm; violet bent most; rainbow seen looking away from the Sun; secondary rainbow from two reflections; lasers disperse little)
  • 25.6 Image Formation by Lenses (ray tracing rules, P = 1/f in diopters, 1/do + 1/di = 1/f, m = −di/do, 0.750 m object and f = 0.500 m -> 1.50 m and m = −2.00, magnifier do 7.50 cm -> di −30.0 cm and m = 4.00, Table 25.3 three cases)
  • 26.1 Physics of the Eye (cornea and lens act as one thin lens, most bending at the cornea, cornea n 1.38, lens-to-retina 2.00 cm, near point 25 cm, power 50.0 D to 54.0 D, hair 1.20 × 10⁻² cm at 60.0 cm)
  • 27.3 (Young 1801)
  • NASA science.nasa.gov/eclipses/geometry (umbra, penumbra; typical umbral path may be less than 50 miles wide, penumbra a thousand miles or more) and nasa.gov image article Diagram of Umbra and Penumbra (umbra shrinks, penumbra grows away from the Sun)
  • NASA Visible Light page (Newton 1665 prism experiment, 380 to 700 nm)
  • Royal Society, Fara 2015 commentary on Newton (1672) New Theory about Light and Colours (royalsocietypublishing.org/rsta/article/373/2039/20140213)
  • NIST Meter page (Evenson group 299 792 456.2 ± 1.1 m/s; 1983 definition fixes c = 299 792 458 m/s) and NIST J. Res. 1972 measurement (tf.nist.gov/general/pdf/527.pdf)
  • APS News July 2010, Fizeau (Galileo lanterns; Roemer 1676; Fizeau 1849, 313 300 km/s, about 5% high)
  • Wikipedia Fizeau's measurement (8633 m, 720 notches, 25.2 turns per second -> 313 274 304 m/s, 4.5% high) and Speed of light (Galileo proposal 1638; Foucault 1862 298 000 ± 500 km/s, −0.60%; Michelson 1926 299 796 ± 4 km/s)
  • Baez and DESY "How is the speed of light measured?" (same table)
  • NASA Moon Fact Sheet (mean distance 384 400 km)
  • IAU 2012 astronomical unit 149 597 870 700 m.

Data de verificação: 2026-10-17