Problemas resolvidos na íntegra
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Um objeto de 40 mm a 250 mm à frente de uma lente convergente 5 passos
Um objeto de 40 mm encontra-se a 250 mm à frente de uma lente convergente de distância focal 100 mm. Determine a imagem — onde se forma, qual o seu tamanho, qual a sua orientação — e, em seguida, encontre a única coisa que esta lente não consegue fazer.
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Uma única equação rege toda a página. Isole a distância da imagem antes de introduzir quaisquer números, para que a aritmética seja feita apenas uma vez.
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Substitua. Ambos os inversos partilham o denominador 250, que é a totalidade do cálculo; a ferramenta apresenta este valor.
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A ampliação é a razão entre as duas distâncias, negativa porque uma imagem real é invertida. O objeto está para lá de 2f, pelo que a imagem teria de resultar menor — isso é o projetor a funcionar ao contrário.
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A forma de Newton da mesma lei mede ambas as distâncias a partir dos pontos focais em vez de a partir da lente. O seu produto é exatamente f², para qualquer posição do objeto, o que é uma afirmação mais forte do que a forma inversa parece capaz de fazer.
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Agora pergunte quão próximos o objeto e a imagem podem estar. Minimizar a sua separação resulta numa disposição simétrica, e a resposta não depende de nada a não ser da lente.
Resposta
A imagem forma-se 166,7 mm atrás da lente, invertida, com 26,7 mm de altura. A última linha é a que é útil. O objeto e a imagem estão a 416,7 mm de distância neste caso, e nenhuma regulação da distância do objeto os aproxima a menos de 4f = 400 mm: à medida que aproxima o objeto do foco, a imagem afasta-se mais depressa do que o objeto se aproxima. Um projetor que tem de projetar uma imagem real num ecrã tem, portanto, uma distância de projeção mínima rigorosa, determinada apenas pela sua distância focal — razão pela qual uma sala pequena precisa de uma lente curta, e não de uma mais engenhosa.
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A lupa, e por que razão o cabo diz 5× 7 passos
Segure uma lente de 50 mm a 30 mm acima de um escaravelho de 40 mm. Onde fica a imagem, com que orientação e qual o seu tamanho? Explique depois por que razão a ferramenta apresenta 2,50× para uma lupa em cujo cabo está gravado 5×.
Abrir este problema na ferramenta
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O método não muda: aplicamos a mesma equação do problema 1, mas numa lente mais curta. A diferença é que agora o objeto se encontra no interior da distância focal, em vez de bem afastado dela.
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A distância da imagem resulta negativa, e essa é toda a resposta para "onde". Ser negativa significa que os raios emergem da lente ainda a divergir, pelo que nunca se cruzam e nenhum ecrã captará nada. Prolongados para trás, parecem provir de um ponto a 75 mm de distância, do mesmo lado do escaravelho, que é onde o seu olho encontra a imagem.
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A ampliação transporta o sinal consigo. Um m positivo significa direita, pelo que o escaravelho surge direito com 100 mm de altura, e a ferramenta classifica a imagem como virtual e direita.
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Resolva a equação de forma genérica em vez de num cenário específico, e o comportamento de qualquer lupa revela-se numa única fração. Dentro da distância focal de uma lente convergente, a ampliação é positiva e maior do que um. Isto acontece a qualquer distância, sem exceções a memorizar.
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Vale a pena verificar os dois extremos na prática. Aproxime a lente do escaravelho até assentá-la sobre ele e a ampliação passa a 1, que é o que faz uma lente pousada sobre uma página. Eleve-a em direção ao ponto focal e a ampliação dispara, embora a imagem fuja ao mesmo tempo para o infinito e o seu olho a perca. É por isso que a predefinição "Objeto no ponto focal" apresenta ∞ em vez de um número.
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De onde vem então o 5×? Não vem deste cálculo. O que uma lupa oferece é dimensão angular, não linear: o quão grande o escaravelho parece em comparação com tê-lo à distância mínima a que um olho relaxado consegue focar, convencionalmente 250 mm. Coloque o objeto no ponto focal, deixe os raios emergir paralelos, e a comparação passa a ser uma razão entre dois ângulos.
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Traga antes a imagem para esse ponto próximo de 250 mm e a mesma lente atinge 6×. Ambas as convenções são utilizadas na prática. É por este motivo que uma lupa de 5× de um fabricante e uma de 6× de outro podem ser a mesmíssima peça de vidro. A ferramenta indica a ampliação linear à distância que efetivamente escolheu. Esse é o número que obteria ao deitar uma régua sobre a imagem. Já aquilo que o seu olho capta depende de onde segura a lente: traga a imagem para o ponto próximo e os dois coincidem.
Resposta
A 75 mm da lente, do mesmo lado do escaravelho, direita, com 100 mm de altura e virtual. O valor de 2,50× que a página apresenta e o 5× no cabo medem grandezas diferentes: um é a razão entre a altura da imagem e a altura do objeto na posição em que está a segurar a lente; o outro é uma razão entre ângulos aparentes segundo uma convenção de observação fixa.
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Percurso de aprendizagem
Desvio da luz
Referências (2)
- The thin-lens conjugate relation and the two-position focal-length method: Eugene Hecht, Optics, 5th edition, ch. 5. Pearson, 2017. ISBN 978-0-13-397722-6.
- Gaussian optics and conjugate planes, in full: M. Born and E. Wolf, Principles of Optics, 7th (expanded) edition, ch. 4. Cambridge University Press, 1999. ISBN 978-0-521-64222-4.