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Equação de Gauss. Aumento linear transversal

Borges e Nicolau

Equação de Gauss

Na aula anterior aprendemos como obter graficamente a imagem de um objeto colocado diante de um espelho esférico. A posição da imagem pode ser obtida por meio de uma equação: Equação de Gauss. 

Sejam p e p’ as abscissas do objeto e da imagem em relação ao sistema de eixos cartesianos indicado na figura acima, obedecendo à seguinte convenção de sinais:

Objeto real: p > 0
Imagem real: p' > 0
Imagem virtual: p' < 0

Para a distância focal f, temos:

Espelho côncavo: f > 0
Espelho convexo: f < 0

p, p’ e f se relacionam pela Equação de Gauss:

1/f = 1/p + 1/p'

Aumento linear transversal A

Sejam i e o as alturas da imagem e do objeto, respectivamente. A relação entre i e o é indicada por A e recebe o nome de aumento linear transversal:

A = i/o

Convenção de sinais:

Imagem direita: A > 0
Imagem invertida: A < 0

O aumento linear transversal e as abscissas p e p’ do objeto e da imagem também se relacionam:

A = -p'/p

Exercícios básicos

Exercício 1:
Um objeto linear situa-se a 30 cm de um espelho esférico côncavo de distância focal 6 cm.

a) Determine a que distância do espelho se forma a imagem.
b) A imagem é real ou virtual?

Resolução:

a) São dados: p = 30 cm e f = 6 cm. Aplicando a equação de Gauss determinamos o valor de p’:

1/f = 1/p + 1/p’ => 1/6 = 1/30 + 1/p’ => 1/p’ = 1/6 -1/30 =>
1/p’ = (5-1)/30 => p’ = +7,5 cm.

A imagem se forma a uma distância de 7,5 cm do espelho.

b) Sendo p’ > 0, concluímos que a imagem é real

Respostas: a) 7,5 cm; b) real

Exercício 2:
Um objeto linear situa-se a 30 cm de um espelho esférico convexo cuja distância focal é, em módulo, igual a 6 cm.

a) Determine a que distância do espelho se forma a imagem.
b) A imagem é real ou virtual?

Resolução:

a) São dados: p = 30 cm e f = -6 cm. Aplicando a equação de Gauss determinamos o valor de p’:

1/f = 1/p + 1/p’ => 1/-6 = 1/30 + 1/p’ => 1/p’ = 1/-6 -1/30 =>
1/p’ = (-5-1)/30 => p’ = -5 cm.

A  imagem se forma a uma distância de 5 cm do espelho.

b) Sendo  p’ < 0, concluímos que a imagem é virtual

Respostas: a) 5 cm; b) virtual

Exercício 3:
A imagem real de um objeto real fornecida por um espelho esférico côncavo, de raio de curvatura 20 cm, situa-se a 30 cm do espelho. Determine:

a) a distância focal do espelho;
b) a que distância do espelho está posicionado o objeto;
c) o aumento linear transversal.

Resolução:

a) f = R/2 => f = 20/2 => f = 10 cm.

b) Sendo p’ = 30 cm e f = 10 cm, calculamos p pela equação de Gauss:

1/f = 1/p + 1/p’ => 1/10 = 1/p + 1/30 => 1/p = 1/10 - 1/30 =>
1/p = (3-1)/30 => p = 15 cm

c) O aumento linear transversal é dado por:
A = -p’/p => A = - 30/15 => A = - 2: a imagem é invertida e tem altura igual a duas vezes a altura do objeto.

Respostas: a) 10 cm; b) 15 cm; c) -2

Exercício 4:
A imagem de um objeto situado diante de um espelho esférico convexo tem altura igual a 1/3 da altura do objeto. O módulo da distância focal do espelho é de 15 cm. Determine a distância entre o objeto e a imagem.

Resolução:

Sendo o espelho convexo, temos: f = -15 cm.
A imagem é direita. Logo: i = o/3
A = i/o = -p’/p => A = (o/3)/o = -p’/p => 1/3 = -p’/p => p’ = -p/3 (1)
Equação de Gauss: 1/f = 1/p + 1/p’=> 1/-15 = 1/p + -3/p => p = 30 cm
De (1), vem: p’ = -10 cm.
O objeto está a 30 cm diante do espelho.
A imagem está “atrás” do espelho e a 10 cm.
Logo a distância entre o objeto e a imagem é de 40 cm

Resposta: 40 cm

Exercício 5:
Uma calota esférica de pequena abertura e de raio R = 20 cm é espelhada na superfície interna e na superfície externa. Dois objetos retilíneos de mesma altura, O₁ e O₂, são dispostos perpendicularmente ao eixo principal e à mesma distância de 15 cm das faces refletoras. Determine a distância entre as imagens conjugadas. 

Resolução:

Distâncias focais dos espelhos:
côncavo: f = R/2 = 10 cm; convexo: f = -10 cm

Espelho côncavo:
1/f = 1/p + 1/p’ => 1/10 = 1/15 + 1/p’ => 1/p’ = 1/10 -1/15 =>
1/p’ = (3-2)/30 => p' = 30 cm: a imagem se forma a 30 cm do espelho, é real e situa-se na frente da face refletora do espelho.

Espelho convexo:
1/f = 1/p + 1/p’ => 1/-10 = 1/15 + 1/p’ => 1/p’ = 1/-10 -1/15 =>
1/p’ = (-3-2)/30 => p’ = - 6 cm: a imagem se forma a 6 cm do espelho, é virtual e situa-se “atrás” da face refletora do espelho.

Concluímos que as duas imagens estão do mesmo lado da calota esférica. Logo, a distância entre as duas imagens é igual a 30 cm - 6 cm = 24 cm

Confirme pela construção:

Resposta: 24 cm