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Instrumentos ópticos e óptica da visão

Instrumentos ópticos e óptica da visão

O funcionamento de vários instrumentos que utilizamos no dia a dia pode ser justificado pelas associações de diversos tipos de lentes, prismas e espelhos.

Esses inúmeros aparelhos, entre eles máquinas fotográficas, projetores e lunetas, podem ser divididos em dois grupos de instrumentos: de projeção e de observação.

Os instrumentos de projeção se caracterizam por conjugarem uma imagem real, ou seja, uma imagem projetada em um anteparo, filme etc. Como exemplo, temos as máquinas fotográficas e os projetores.

Aqueles aparelhos em que a imagem pode ser observada diretamente dentro do aparelho, isto é, uma imagem virtual, são chamados de instrumentos de observação. É o caso do microscópio, da luneta e do telescópio.

Veremos agora alguns instrumentos:

LUPA OU LENTE DE AUMENTO

O mais simples instrumento óptico. Consiste em uma lente convergente com o objeto colocado entre o foco e o centro óptico.

LUNETA

Existem dois tipos de luneta: a luneta terrestre (menor em tamanho e em alcance) e a luneta astronômica (mais potente), que é utilizada na observação de astros e, dessa forma, seus objetos são normalmente impróprios.

Na luneta existem duas lentes. A primeira é denominada objetiva e a segunda, ocular, sendo ambas lentes convergentes. A imagem formada pela objetiva serve como objeto para a ocular.

Se na objetiva, ao invés de utilizarmos uma lente, usarmos um espelho côncavo, teremos um telescópio.

A vantagem é que o espelho apresenta menos aberrações ópticas que as lentes.

MICROSCÓPIO COMPOSTO

Consiste na associação de duas lentes: a objetiva e a ocular. Seu funcionamento é bem parecido com o da luneta, porém, o objeto é real.

A ampliação total do microscópio pode ser calculada pelo produto do poder de ampliação de cada lente.

PROJETOR 

O projetor de slides é um instrumento de projeção e precisa de um anteparo, em geral uma tela, para que a imagem possa ser vista. Além da imagem ser real, ela é maior e invertida.

MÁQUINA FOTOGRÁFICA

A máquina fotográfica é composta de uma lente objetiva que forma uma imagem no chamado filme fotográfico. A imagem será invertida e real.

Para que a imagem possa se projetar sempre no filme fotográfico, a máquina fotográfica possui um dispositivo para regular a distância da lente ao filme. Existe também um dispositivo, chamado de diafragma, que regula a entrada de luz.

O OLHO HUMANO

O globo ocular humano tem a forma aproximada de uma esfera, e é constituído por inúmeros elementos, como mostra a figura ilustrativa:

A parte mais exterior é conhecida como córnea, que tem como função proteger o cristalino. A íris é a parte que representa a coloração característica dos olhos e a pupila é o orifício central (parte escura), responsável pelo controle da luminosidade que penetra no globo ocular. Atrás da pupila há o cristalino, que funciona como lente convergente para o olho humano. No fundo do olho fica a retina, que é onde a imagem é formada quando não há defeito visual. A retina possui um conjunto de nervos, denominado nervo óptico, que leva a mensagem de formação de imagens para o cérebro.

A pupila é responsável pelo fenômeno da adaptação visual, liberando a intensidade luminosa necessária. Assim, quando o observador se encontra em um lugar pouco iluminado, a pupila se abre mais e permite que uma intensidade maior penetre. Da mesma forma, quando se encontra em lugares exageradamente iluminados, a pupila se fecha, diminuindo a entrada de luz.

A imagem conjugada pelo cristalino sempre estará na retina (no nervo óptico), ou seja, p’ terá sempre o mesmo valor. Como há uma variação de p, pois os objetos se encontram a distâncias diferentes do olho, ocorrerá uma variação da distância focal provocada pelos músculos ciliares. Esse processo denomina-se acomodação visual. Existe um intervalo de acomodação em que o olho humano é capaz de captar uma imagem; e vai do ponto remoto, onde não há esforço de acomodação e a distância focal é máxima; até o ponto próximo, onde o esforço é máximo e a distância focal é mínima. Para o olho humano normal, sem nenhuma anomalia, o ponto remoto está no infinito e o ponto próximo a 25 cm de distância.

DEFEITOS VISUAIS

Existem alguns defeitos visuais que são gerados por mal funcionamento de algum órgão.

MIOPIA

O míope tem problemas para enxergar objetos distantes. Isto se deve a um alongamento do globo ocular (como mostra a figura) ou a um alto poder de convergência do cristalino. Independente da razão da miopia da pessoa, constata-se que ela apresenta um problema em seu ponto remoto.

No olho míope, a imagem se forma antes da retina e, para que a imagem se conjugue normalmente, devemos utilizar uma lente divergente.

HIPERMETROPIA

Um olho hipermétrope tem o problema oposto ao do míope, isto é, dificuldade para enxergar de perto, devido a um encurtamento do globo ou a um fraco poder de convergência do cristalino. O ponto próximo do hipermétrope se encontra a mais de 25 cm do globo.

A imagem conjugada pelo cristalino se encontra após a retina e, dessa forma, devemos corrigir este defeito com uma lente convergente.

ASTIGMATISMO

Consiste em uma deformação na córnea, a pessoa que possui Astigmatismo observa os objetos embaçados. A correção do Astigmatismo se dá através de lentes cilíndricas.

PRESBIOPIA

Também conhecida como vista cansada, é resultado de um enrijecimento dos músculos ciliares, responsáveis pela acomodação visual. Geralmente ocorre a partir dos 40 anos de idade e para corrigir usamos as lentes convergentes.

OBSERVAÇÃO

COMO LUNETA PODE CAIR NO ENEM?

A luneta astronômica foi um instrumento que trouxe para os homens a capacidade de observar corpos celestes com uma riqueza de detalhes que não é percebida ao olho nu. As lunetas são construídas com duas lentes convergentes que formam uma imagem mais próxima do observador. A questão busca identificar a distância entre os olhos do observador e a imagem formada.

EXERCÍCIOS RESOLVIDOS 

01. (UNICAMP – MODIFICADA) Nos olhos das pessoas míopes, um objeto localizado muito longe, isto é, no infinito, é focalizado antes da retina. À medida que o objeto se aproxima, o ponto de focalização se afasta até cair sobre a retina. A partir deste ponto, o míope enxerga bem. A dioptria D, ou “grau”, de uma lente é definida como D = 1/(distância focal) e 1 grau = 1 m-1. Considere uma pessoa míope que só enxerga bem objetos mais próximos do que 0,4 m de seus olhos.

a) Faça um esquema mostrando como uma lente bem próxima dos olhos pode fazer com que um objeto no infinito pareça estar a 40 cm do olho.

b) Qual a dioptria dessa lente?

c) A partir de que distância uma pessoa míope que usa óculos de “4 graus” pode enxergar bem sem os óculos?

Resolução:

a) Observe a figura a seguir:

b) Deve-se lembrar que se x = ∞ , então, 1  ≈ 0, ou seja a divisão de um número por ∞ tende a zero.

Míope ➔ Correção: Lente divergente (f < 0)
Vergência (V): normalmente representada pela letra V, nessa questão será representada pela letra “D” conforme enunciado.

D =
        f

Ponto remoto de um olho emetrope (sem defeito visual): ∞

Ponto remoto do olho míope do enunciado: 0,4 m.

A lente divergente deve produzir uma imagem que se forma no ponto remoto do olho míope, portanto, p’ = – 0,4 m (o sinal negativo indica que a imagem é virtual) de um objeto que se encontra no infinito, portanto, p = ∞ .

|p’| 25 cm = (isso significa que a pessoa com esse grau de miopia consegue enxergar com nitidez objetos até 25 cm de distância.)

02. (UNESP) Uma pessoa apresenta deficiência visual, conseguindo ler somente se o livro estiver a uma distância de 75 cm. Qual deve ser a distância focal dos óculos apropriados para que ela consiga ler, com o livro colocado a 25 cm de distância?

Resolução:

Hipermetropia ➔ Correção: Lente convergente (f > 0)

Ponto próximo de pessoa emetrope (sem defeito visual): 25 cm

Ponto próximo do hipermetrope do enunciado: 75 cm

A lente convergente deve fazer a imagem de um objeto a 25 cm de distância (p = 25 cm) se formar a uma distância de 75 cm (p’ = – 75 cm; o sinal negativo indica que a imagem é virtual)

1/f = 1/p + 1/p’
1/f = 1/25 + 1/-75
1/f = 3 – 1/75
1/f = 2/75
f = 75/2
f = 37,5 cm

Caso a questão perguntasse quantos “graus” a lente deve ter basta calcular a vergência (V).

f = 37.5 cm = 0,375m

v =  1 
f

v =   1     ≅   2,67 di
     0, 375

Ou seja, próximo de 2,7 graus

03. (UFSC) Entre os cinco sentidos humanos, a visão é um dos mais importantes, por isso deve-se cuidar muito bem dos olhos. Ainda assim, defeitos visuais como miopia, hipermetropia e astigmatismo aparecem no decorrer da vida. Mas nada está perdido, pois os óculos são alternativas acessíveis e satisfatórias na melhoria da qualidade visual dos indivíduos. Considere o esquema do olho abaixo para responder aos itens da questão.

Dados:

sen Ø, = n2 . senØ2

a) Com base no esquema do olho abaixo, desenhe a imagem do objeto (seta) formada em um olho hipermetrope.

b) Que tipo de lente esférica corrige o defeito da hipermetropia e que fenômeno óptico explica o funcionamento de uma lente esférica?

c) Considere uma pessoa hipermetrope capaz de enxergar nitidamente quando seu ponto próximo é de 1,0 m. Nesse caso, qual a vergência da lente corretiva para conjugar a imagem de um objeto no ponto próximo, se esse objeto estiver a 25 cm do olho?

Resolução:

a) Abaixo a construção da imagem para um olho hipermetrope.

b) Para solucionar o problema do olho hipermetrope devemos usar uma lente convergente. O fenômeno óptico que explica o funcionamento das lentes esféricas é a refração.

c) A distância focal (f) corretiva par o olho hipermetrope é dada pela equação de Gauss, onde a distância da imagem (p’) deve ser de 25 cm (ponto próximo do olho normal) e a distância do objeto (p) deve ser de -1 m (ponto próximo do hipermetrope). A vergência (V) da lente corretiva é o inverso da distância focal.

1/f = 1/P + 1/P’ ⇒ 1/f = 1/0,25m – 1/1m ∴ = V = 3di
f = 1/3 m = 33, cm

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