História e epistemologia da Física/Óptica

Antecedentes

“A luz tem um papel tão presente e crucial nas nossas vidas e no funcionamento da Natureza que todas as culturas abundam com mitos referentes à luz. […] As conotações psicológicas, culturais e religiosas da luz afetaram profundamente a maneira como as pessoas, incluindo muitos cientistas, conceberam a natureza da luz.” Cantor (1996)

em Gênesis 1:2 é dito que, antes do advento da luz, ‘a Terra era sem forma e vazia; havia trevas sobre a face do abismo’ e, no versículo quatro, é dito que ‘ e Deus viu que a luz era boa’.

Agostinho explicava que a verdade só poderia ser percebida à luz da suprema verdade, da mesma forma que o olho só podia vislumbrar objetos iluminados pelo Sol

mesmo a mais sóbria filosofia da Idade Média aceitava a luz como a mais nobre entidade no mundo e também o meio pelo qual a ordem universal se mantém e a base da extensão no espaço (JAMMER, 1994).

Aristóteles: luz (phos) não seria nem fogo, nem algo material, mas sim um estado do meio, tornado transparente pelo fogo ou outra fonte de luz. Somente em tal estado de transparência, esse meio permitiria a visão.

não sendo uma substância, a luz se propagaria instantaneamente já que o meio foi tornado transparente como um todo de uma só vez. a luz não teria cor, sendo esta o resultado de uma mudança qualitativa produzida pelo objeto colorido no meio transparente (LINDBERG, 1981; CANTOR, 1996).

Atomistas: a luz não teria papel na visão, a qual se daria meramente pela captação de imagens (eidola) dos objetos

Pitagóricos, Empédocles e Platão: a visão se daria por um mecanismo de extramissão: um fogo interior ao olho seria emitido para o objeto que entraria em conjunção com a luz solar incidente sobre este

Alhazen (al-Haytham), filósofo islâmico do séc. X: cada ponto do objeto reflete a luz incidente para o olho em todas as direções mas apenas um raio de cada ponto incide sobre o olho do observador.

Alhazen enfatizou ainda que os ‘raios’ de luz são construções puramente geométricas, sem realidade física (LINDBERG, 1981)

Concepções Alternativas

• luz ‘ilumina’ objeto para que possamos vê-lo através de ‘raios de visão’
• luz permanece em torno da fonte, onde podemos ‘vê-la’
• luz como estado de iluminação e não como entidade física
• luz incide no olho e é redirigida ao objeto visto

O espelho

“A usual experiência do espelho é à primeira vista tão simples, tão clara, tão distinta, tão geométrica, que poderia ser colocada na base da conduta científica, no próprio estilo em que Pierre Janet fala do comportamento do cesto para caracterizar a mentalidade humana e mostrar a grande superioridade da criança que compreende a ação totalizante do cesto, enquanto que o cão nunca se serve do cesto como coletor de objetos.” (BACHELARD, 1996)

Reflexão

Reflexão especular da luz

O fenômeno da reflexão tem a ver com o retorno de um raio de luz que atinge uma superfície opaca. Quando um feixe de luz atinge uma superfície lisa e polida ele retorna ao meio de qual é proveniente. Supondo que a superfície, além de ser lisa e polida também for plana, e sendo os raios, do feixe incidente, paralelos entre si, os raios de feixe emergentes, isto é, os raios refletidos, serão, também, paralelos entre si.

Reflexão difusa da luz

Quando um feixe de raios paralelos entre si incidem em uma superfície rugosa mas opaca, os raios refletidos, isto é, o feixe emergente, retornam ao meio do qual são provenientes, porém perdendo o paralelismo entre si.

Leis da Reflexão

Qualquer que seja o tipo de reflexão que ocorra na superfície, seja ela especular ou difusa, os raios, individualmente, sempre obedecem a duas leis básica:

1ª Lei da reflexão: " O raio incidente, o raio refletido e a linha normal à superfície refletora são coplanares."

2ª Lei da reflexão: " O ângulo de incidência, formado entre o raio incidente e a linha normal, é sempre igual ao ângulo de reflexão, formado entre o raio refletido e a normal". Tal como na reflexão mecânica de bolas de bilhar, o qual, levou Newton a pensar no modelo corpuscular.

Lei da Refração

A lei da refração surge com Descartes, mas Snell, em 1625 já tinha desenvolvido alguma coisa do assunto.

Em 1662 Fermat demonstra a lei da refração, que é corrigida em 1774 por Maupertius.

Refração da luz

O fenômeno da refração esta associado à passagem da luz de um meio para outro. Para tanto é necessária a presença de dois meios transparentes ou translúcidos. Quando um feixe de luz, de raios paralelos entre si, incide e uma superfície refratora, isto é, uma superfície que separa dois meios transparentes ou translúcidos, os raios passam a se propagar no segundo meio. Caso os dois meios sejam homogêneos, individualmente, os raios emergentes, isto é, os raios refratados, não perdem o paralelismo entre si.

Índice de refração

Quando a luz atravessa a superfície que separa dois meios ela passa a se propagar de acordo com as características desse segundo meio. o índice de refração é uma relação entre a velocidade da luz em um determinado meio e a velocidade da luz no vácuo. Em meios com índices de refração mais baixos (próximos a 1) a luz tem velocidade maior, ou seja, próximo a velocidade da luz no vácuo.

Leis da Refração

Refratar significa atravessar de um meio para o outro. Quando dizemos que um raio sofreu refração estamos automaticamente dizendo que ele começou a propagar-se em um meio diferente do que ele estava "andando". É graças ao fenômeno da refração da luz no ar que conseguimos enxergar os objetos que nos rodeiam, neste caso dizemos que ar é um meio transparente. Caso a luz não conseguisse refrata-se pelo ar, não conseguiríamos ver. É também devido ao fato da luz refratar-se no meio vidro que conseguimos colocar óculos para corrigir eventuais defeitos de visão. Qualquer que seja o tipo de refração que ocorra entre dois meios, os raios, individualmente, sempre obedecem as duas leis básica:

1ª Lei da refração: " o raio incidente, o raio refratado e a linha normal à superfície refratora são coplanares".

2ª Lei da refração: " o produto do índice de refração do meio pelo seno do ângulo formado pela linha normal e do raio de luz existente neste meio é constante para qualquer meio."

Lei de Snell-Descartes

Snell - Descartes (século XVII) 

A lei da refração recebeu o nome dos dois cientistas, Snell e Descartes, porque apesar de terem trabalhado independentemente, chegaram à mesma Lei

Snell

Nasceu em Leiden na Holanda(1580 1626)

Estudou na Universidade de Leiden e foi professor na mesma universidade

Propôs, em 1627, o método da triangulação e este trabalho é fundamental para a geodésia

Estabeleceu o método clássico de calcular os valores aproximados de por polígonos

Em 1621, descobriu a lei da refração, mas não publicou e, somente em 1703, tornou-se conhecida quando Huygens publicou o resultado em Dióptrica

Descartes

René Descartes (1596 1650)

Nasceu em Hayie, Touraine (França)

Foi filósofo, cientista e matemático, algumas vezes chamado "o pai da filosofia moderna"

Como cientista, fez trabalhos no campo da fisiologia e ótica

Em matemática, foi o primeiro a classificar as curvas de acordo com as equações que elas produzem e fez a sistematização da geometria analítica

Christiaan Huygens (1629-1697)

Dados Biográficos

1633: Galileu é condenado pela Inquisição

1644: Descartes publica na Holanda, seu “Principia Philosophiae”

1646: nasce Leibniz

1663: “Discurso sobre o Método”, de Descartes, é colocado no Index

1657: Huygens projeta o relógio de pêndulo, construído por Solomon Coster, patenteado quase 20 anos depois como relógio de bolso

Contribuições

Dedicou-se ao estudo da luz e cores: Tratado sobre a luz

Modelo: luz seria um pulso não periódico propagado pelo éter

explicou

• a propagação retilínea da luz,
• a refração e
• a reflexão.
• também procurou explicar o fenômeno da dupla refração

Discordava com vários aspectos da teoria sobre luz e cores de Isaac Newton (1643-1727), baseada num modelo corpuscular para a luz.

Discutiu com ele durante muitos anos, mas suas teorias nunca tiveram uma disputa em grandes proporções (Moura 2007)

Rembrandt Harmenszoon van Rijn (1606-1669)

Dados Biográficos

pintor holandês mais famoso do século XVII, chamado "Século de Ouro”, ápice da influência política, científica, comercial e cultural neerlandesa

Províncias Unidas pertenciam à Espanha: cultura latina, mediterrânea e católica

1609: primeira revolução antifeudal vitoriosa: democracia burguesa dos comerciantes e navegadores

1618-1648: Guerra dos Trinta Anos: uma das mais violentas guerras de religião da História da Humanidade

1637: Maurício de Nassau chega a Pernambuco como Governador Geral do Brasil-Holandês: primeira Assembleia Legislativa da América do Sul, o primeiro observatório astronômico do novo mundo (George Macgrave)

1629: descoberto pelo estadista e poeta Constantijn Huygens, pai de Christiaan Huygens (físico e matemático): Príncipe Frederik Hendrik foi seu cliente até 1646.

1634: casou-se com Saskia van Uylenburg, filha de um advogado e prefeito de Leeuwarden. Mudam-se para o quarteirão judeu

1654: teve uma filha com Hendrickje Stoffels, empregada de sua casa: excomungada da Igreja Protestante Holandesa por "viver em pecado"

cultura protestante: não havia a arte sacra e predominavam as representações da vida cotidiana: mendigos, judeus, etc.

público inclinou-se para o Classicismo

manteve seu estilo: quebra nas vendas

tornou-se símbolo do Realismo

dramatismo e vivacidade dos retratados

sem a formalidade rígida dos seus contemporâneos

profunda compaixão pela humanidade, independente de nível social e idade

familiares, ele próprio e vizinhos judeus em retratos de cenas bíblicas

Johannes Vermeer (1632-1675)

Dados Biográficos

segundo pintor holandês mais famoso do "Século de Ouro”

já usava câmara escura como recurso para captar melhor a luz, a composição e a perspectiva

Spinoza, Leeuwenhoeck e Vermeer dedicaram-se ao polimento de lentes como modo de subsistência

Kepler: imagens que vemos como pinturas do mundo projetadas sobre a tela da retina

 não se pode fugir da representação

Arte  Ciência

“Artistas e cientistas passam a se valer dos mesmos recursos técnicos para implementarem uma cultura de natureza particular na qual as imagens desempenham um papel complementar. O cientista recorre às imagens produzidas pelos artistas para registrar tanto o que descobre com o uso de microscópios ou telescópios, enquanto os artistas fazem uso de sistemas de lentes e espelhos como auxiliares nos processos de composição, avançando em direção a um naturalismo cada vez mais aperfeiçoado.” (QUEIROZ, 2006)

Revolta Holandesa: contra a repressão espanhola da Reforma: migração da elite para o Norte: República Holandesa

1653: pobre, protestante, casa-se com Catherina Bolnes, católica, de boa situação. Mudam-se para a “esquina papista”

1672: França invade a República Holandesa

1676: Leeuwenhoek, microscopista, funcionário da prefeitura, foi nomeado tutor do estado para amparar a viúva e os filhos

Moça com brinco de pérola, Peter Webber

filme de 2003

adaptação do romance de Tracy Chevalier

conta a

indicado ao Oscar de 2004 nas categorias de Melhor Direção de Arte, Melhor Fotografia e Melhor Figurino http://cinema.terra.com.br/videos/interna/0,,OI37323-EI1176,00.html

Johann Wolfgang von Goethe (1749-1832)

Dados Biográficos

escritor, filósofo, cientista e botânico alemão

escreveu vários trabalhos sobre a morfologia das plantas, que influenciaram Darwin

autor da peça Fausto e do romance Os Sofrimentos do Jovem Werther

ícone do Romantismo

causador de onda de suicídios

Contribuições

Da Teoria das Cores: oposição à interpretação de Newton dos fenômenos luminosos.

cor: mais um fenômeno da consciência do que físico, mais associado ao olho do que à luz

quarto escuro=artificial

a Natureza só existiria quando se revelasse livremente aos nossos sentidos

Espectro luminoso

O espectro luminoso visível é constituído pelas cores vermelha, alaranjada, amarela, verde, azul, anil e violeta

Corresponde a uma sequência crescente de frequências de oscilação da radiação luminosa quando o espectro luminoso branco, o qual é constituído por todas as sete cores citadas anteriormente atravessa um prisma, cada uma das frequências atravessa o vidro do prisma com uma velocidade diferente, ocorrendo desta forma a separação diferenciada de cada uma das cores componentes da luz branca

Cores subtrativas

A cor

“Se as ondas de 760 nm, que por si só, produzem a sensação de vermelho se misturarem, numa determinada proporção, com as ondas de 535 m, que por seu turno, ocasionam a sensação de verde, dessa mescla resulta um amarelo que não se distingue do produzido pelas ondas de 590 nm.” (SCHRÖDINGER, Erwin, 1989)

Cores aditivas

São cores primarias

Formado pelo vermelho, verde e azul

Modelos aditivos são combinados de forma que podem produzir outras cores

Não devemos confundir essas cores com pigmentos vermelho amarelo e azul utilizados no mundo da artístico

Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821–1894)

Dados Biográficos

médico e físico alemão

na Fisiologia e na Psicologia Fisiológica, contribuiu com teorias da visão, da percepção visual, percepção espacial, visão a cores, percepção de movimento, sensação de tom sonoro, percepção do som, etc.

na Física, é conhecido pelas suas teorias da conservação da energia, trabalhos em Eletrodinâmica, Termodinâmica Química e numa fundação mecânica para a Termodinâmica.

na Filosofia, é conhecido por sua Filosofia da Ciência, ideias sobre a relação entre as leis da percepção e as leis da natureza, sobre a Estética e ideias sobre o poder civilizador da Ciência

também é conhecido como o criador da Teoria da Panspermia Cósmica.

Contribuições

1850: desenvolveu a teoria de Young

três tipos de cone: sensíveis ao azul, ao verde e ao vermelho

intensidade relativa dos sinais de cada conjunto de cones, é interpretada pela mente como cor

Teoria tricromática

Pergunta

De que cor se vê um objeto amarelo se o colocarmos sob luz monocromática azul? (SOUSA BRITO, 1996)

A resposta a esta pergunta é simples: Preta.

Como a luz é monocromática azul, sendo esta justamente a faixa de cor que objetos amarelos absorvem, não surgirá reflexo nenhum de luz. A luz refletida é quem daria o efeito da cor Amarela, se não há luz alguma sendo refletida, sem cor, preto.

O triângulo de cores

“É evidente que a tabela de todas as misturas deste tipo foi elaborada empiricamente; chama-se o triângulo das cores. Mas não tem qualquer relação com os comprimentos de onda.

O triângulo de cores

[…] Da combinação do ‘vermelho’ e do ‘azul’ das duas extremidades do espectro, por exemplo, resulta ‘púrpura’, cor que não é dada por nenhuma luz espectral simples. Além disso, a referida tabela, o triângulo das cores, varia ligeiramente de pessoa para pessoa e difere consideravelmente em alguns indivíduos como tricromáticos anômalos (que não sofrem de cegueira de cor).” (SCHRÖDINGER, 1989)

Daltonismo

Também chamada de discromatopsia ou "cegueira para as cores", é um defeito genético de transmissão bastante peculiar que atinge, em 97% dos casos, os homens. Isso ocorre porque a falha genética está ligada ao cromossomo X. Os homens têm apenas um X, como as mulheres têm dois desses cromossomos, a chance de ter os dois defeituosos é menor. Homens daltônicos vão transmitir o gene do daltonismo somente para suas filhas, nunca para os filhos, as filhas não manifestam nunca o daltonismo mas têm uma chance de 50% de transmiti-lo para seus filhos homens. Portanto, homem daltônico só tem possibilidade de ter netos daltônicos se tiver filhas, que serão sempre, e somente, portadoras, e a possibilidade desses netos serem daltônicos será sempre de 50%.

O daltonismo não é tido como uma deficiência física de grande significado (dado que a maior parte dos daltônicos tem visão normal, no que se refere às demais características), apesar de dificultar, e muitas vezes impossibilitar, uma série de atividades profissionais e do dia-a-dia. Apesar de não existir nenhum tratamento, tem se desenvolvido alguns recursos ópticos para facilitar a identificação das cores.

Na retina humana normal existem receptores sensíveis às cores, os cones, que contêm pigmentos seletivos para a cor, verde, vermelha e azul. A deficiência de cores ocorre quando há uma redução na quantidade de um ou mais desses pigmentos. Os daltônicos vêem de 500 a 800 cores. Uma das cores prediletas de quem tem esta alteração genética é o roxo, cor viva. A incidência de daltônicos pode variar conforme a localidade. Nos EUA e na Europa, por exemplo, é maior do que entre os índios da região andina. É comum que uma mesma família tenha diversos casos de daltonismo.

1798: Dalton J. "Extraordinary facts relating to the vision of colours: with observations" Memoirs of the Literary and Philosophical Society of Manchester, v. 5, pp. 28-45

Dalton era deuteranópico.

Protanopia

O Protan designa o distúrbio para reconhecer a cor vermelha _ a protanopia é quando o indivíduo não tem o receptor para o vermelho (ausência completa) e a protanomalia é quando o receptor é deficiente. Ocorre em cerca de 1% dos homens, onde vermelho parece cinza e confundem violeta, lavanda e púrpura com azul.

Deuteranopia

O Deutan designa o distúrbio para identificar a cor verde _ na deutanopia, o indivíduo não tem o receptor para o verde (ausência completa) e na deutanomalia, o receptor é deficiente. Ocore em cerca de 1% dos homens que confundem vermelho, laranja, amarelo e verde e não distinguem tons de azul.

Tritanopia

O Tritan é um distúrbio que impede o reconhecimento da cor azul. A identificação pode ser deficiente ou nula (nos casos em que há ausência completa de sensibilidade à cor). Pode ser adquirida, por exemplo, por alterações hormonais. Ocorre em menos de 1% dos homens, que confundem toda a região azul-amarela do espectro

Acromatopsia

Apenas um numero muito pequeno de pessoas sofre de verdadeira incapacidade para ver todas as cores. Neste caso dizemos que têm visão acromática, ou seja, vê o mundo em tons preto, branco e cinza. A estimativa é de que, para cada 30 ou 40 mil pessoas, exista uma acromata. Quem tem acromatopsia nem mesmo sonha em cores.

Referências

• GOTTSCHALL, Carlos Antonio Mascia. Do mito ao pensamento científico: A busca da realidade, de Tales a Einstein. São Paulo : Atheneu, 2004.
• LÉVY-LEBLOND, Jean-Marc, A Electricidade e o Electromagnetismo em Perguntas, Gradiva, Lisboa, 1991.
• SCHRÖDINGER, Erwin, O Que é a Vida?, Ed. Fragmentos, Lisboa, 1989, cap. VI, “O Mistério das Qualidades Sensoriais”
• CHAIB & ASSIS. Apresentação distorcida da obra de Ampère nos livros didáticos. In Anais do X EPEF, 2006. (disponível em http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/epef/x/sys/resumos/T0023-1.pdf)
• SILVA & PIMENTEL. Benjamin Franklin e a História da Eletricidade em livros didáticos. In Anais do X EPEF, 2006. (disponível em http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/epef/x/sys/resumos/T0150-1.pdf)
• QUEIROZ, G. et al. Luz: Ciência, Arte e Ensino de Física. In Anais do X EPEF, 2006. (disponível em http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/epef/x/sys/resumos/T0164-2.pdf)
• SILVA. Esclarecendo o significado de "cor" em Física. Física na Escola, vol. 8, n. 1, pp. 25-26, 2007. (disponível em http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol8/Num1/v08n01a06.pdf)
• DRUZIAN, RADÉ & SANTOS. Uma proposta de perfil conceitual para os conceitos de luz e visão. in Atas do VI ENPEC - Encontro Nacional de Pesquisa em Educação de Ciências, 2007 (disponível em http://reniza.com/renato/artigos/pc_luz.pdf)
• SOUSA BRITO, Jorge, Cartesianismo e Transdisciplinaridade no Ensino da Química, in Atas das 1as. Conferências de Epistemologia e Filosofia, Instituto Piaget, Viseu (Portugal), Março de 1996.
• BACHELARD, Gaston, O Novo Espírito Científico, Edições 70, Lisboa, 1996.
• História da Eletricidade
• Eletricidade
• Eletrostática
• Magnetismo
• Magnetostática
• Óptica
• Huygens
• Vermeer
• Simulador de Daltonismo
• Simulador de visão de bebês
• Teste de Daltonismo

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