Oficina Optica 2m5uh
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA DEPARTAMENTO DE FÍSICA TEÓRICA E EXPERIMENTAL PROGRAMA DE EDUCAÇÃO TUTORIAL
“Aprendendo com a luz” Óptica
Edson José da Costa Santos Cristóvão Porciano do Nascimento Júnior
Natal – RN 2010.2
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Óptica: Aprendendo com a luz! 1. Introdução
A oficina “Aprendendo com a Luz” tem por objetivo: desmitificar o ensino de Física, apontar para um caminho lúdico e prazeroso, reduzir a dicotomia teoria-prática e explorar uma Física fenomenológica, contextualizada e interdisciplinar. Utilizando modelos experimentais que facilitam o entendimento dos fenômenos relacionados à óptica da visão, a fibra óptica, miragem, formação de imagem em espelhos etc. pretendemos facilitar e ampliar o o ao conhecimento de nossos futuros e/ou atuais professores para que eles façam do ensino de Física algo realmente prazeroso.
2. Cartões furados
Objetivo Este experimento tem por objetivo demonstrar que os raios de luz se propagam em linha reta.
Contexto A luz, para a maior parte dos fenômenos cotidianos, propaga-se em forma de raios. Estes são compostos de partículas (fótons), e se propagam sempre retilineamente a partir da fonte. Em algumas situações, a luz também pode comportar-se como onda. Isto é perfeitamente explicado pela Física.
Idéia do experimento Três cartões iguais com um pequeno orifício no meio são dispostos em fila de forma que fiquem exatamente alinhados. Em um extremo é colocada uma vela acesa cuja chama fica alinhada com os furos dos cartões. No outro extremo fica o observador. Há duas situações de observação. Na primeira, os furos dos cartões ficam alinhados e é possível ver a chama da vela do outro lado porque a luz se propaga em linha reta através dos furos. No segundo caso, retira-se qualquer um dos três cartões do alinhamento e não mais é possível ver a luz porque ela esbarra em um dos cartões. Para que se pudesse enxergar a luz, ela teria que ter uma trajetória curva. Com os resultados de ambas as disposições, se conclui que a luz se propaga em linha reta.
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3 Material Cartolina (pode ser substituída por qualquer tipo de papelão não muito grosso). Vela (Pode ser substituída por uma lanterna)
Montagem Corte três retângulos (10 cm x 15 cm) iguais de cartolina (veja figura abaixo). Faça um corte reto (5 cm) no meio do lado menor de cada cartão. No lado cortado, dobre cada parte para um lado de modo que se crie um apoio para que o cartão fique na vertical. Coloque os cartões em fila de modo que fiquem exatamente alinhados. Em um extremo da fila, coloque uma vela acesa cuja chama fique alinhada com os furos dos cartões.
Comentários Para o bom andamento do experimento é importante que os cartões sejam exatamente iguais. A altura da chama da vela deve ser igual à dos furos dos cartões.
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4 Para pensar 1) O que explica as grandes sombras projetadas pelas extremidades das finas pernas de um mosquito d’ água? _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________
3. Câmara escura
Objetivo Este experimento tem por objetivo a construção de uma câmara escura onde é possível observar a imagem da chama de uma vela sendo projetada em seu interior.
Contexto Segundo os princípios da óptica geométrica, os raios de luz se propagam em linha reta. Na câmara escura, todos os raios de luz que são emitidos pelo objeto a ser projetado, am através de um pequeno orifício e atinge o aparato no interior dela. Assim sendo, a luz que sai do ponto mais alto do objeto atingirá o aparato no ponto mais baixo da imagem projetada, formando uma imagem invertida como na figura abaixo.
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Idéia do Experimento Projeta-se a luz emitida pela chama de uma vela na parte interna da tampa de uma lata de chocolate em pó, apenas fazendo um furo em seu fundo.
Material Lata de NESCAU (Será utilizada também a tampa de plástico translúcido. Pode ser utilizada qualquer lata que tenha uma tampa feita com o mesmo material da tampa da lata de Nescau). Vela Prego (Será utilizado apenas para fazer um furo no fundo da lata, por isso, pode ser substituído por qualquer outro objeto de metal pontiagudo).
Montagem Faça um furo, o menor possível, no meio do fundo da lata e tape-a com a tampa de plástico. Acenda a vela e aproxime o fundo da lata até ver a imagem refletida na tampa.
Comentários Para que o experimento seja realizado o ambiente deve permanecer o mais escuro possível. Esquema Geral de Montagem
Para pensar 1) Qual seria o efeito de uma câmara escura que tivesse dois furos de alfinete ao invés de um, apenas? E se ela tivesse múltiplos furos desse tipo? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ www.dfte.ufrn.br/petfisica
6 4. Pente reflexivo:
Objetivo O objetivo deste experimento é observar a reflexão e comprovar a lei que rege este fenômeno.
Contexto Reflexão é o fenômeno pelo qual a luz ao encontrar um obstáculo é rebatida. Para melhor compreender este fenômeno é preciso antes definir as duas etapas da reflexão. Na primeira etapa (incidência) o raio de luz chega até o espelho. Ao ângulo que este raio forma com o espelho damos o nome de ângulo de incidência. Já na segunda etapa, o raio de luz sai do espelho (reflexão). Ao ângulo que este raio forma com o espelho damos o nome de ângulo de reflexão. Para a reflexão existe uma lei: o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.
Idéia do Experimento Um espelho é colocado na posição vertical em contato com a superfície de uma mesa. Em sua frente, coloca-se um pente com os dentes encostados na mesma superfície. Posiciona-se uma lanterna de modo que a sombra produzida pelos dentes do pente atinjam o espelho fazendo sombra na superfície, tanto quando incide no espelho, como quando refletem. Para conferir a lei da reflexão coloque um papel na superfície da mesa, em baixo do espelho e do pente. Risque o papel com um lápis na base do espelho. Risque a trajetória de um dos raios que saem do pente e são refletidos pelo espelho. Observe que no papel aparecerá a trajetória de um dos feixes de luz. É possível medir com um transferidor os ângulos de incidência e reflexão e constatar que eles são iguais.
Material Pente Espelho desses pequenos com as bordas alaranjadas. São encontrados em qualquer supermercado ou bazar. Lanterna Papel Lápis ou caneta Transferidor (Este instrumento só será utilizado para medir os ângulos de incidência e reflexão. Por isso, sua ausência não comprometerá o funcionamento do experimento, uma vez que é possível observar a olho nu a semelhança dos ângulos). www.dfte.ufrn.br/petfisica
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Para refletir 1) Você já deve ter notado que o nome AMBULÂNCIA é impresso na parte da frente dos veículos ao contrário (da direita para a esquerda), como mostra a figura abaixo. Por que isso acontece? Isso ATRAPALHA ou NÃO ATRAPALHA os motoristas dos carros que estão na frente da ambulância? Explique, a sua resposta _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________
2) Você já deve ter reparado que os apresentadores de telejornais narram às noticias sem baixar os olhos para ler em folhas de papel. Quem está assistindo ao programa tem a impressão de que os textos são decorados. Teriam esses profissionais uma memória tão prodigiosa, capaz de reter toda a edição de um programa noticiário que dura em média meia hora? Eles utilizam algum equipamento? Explique. _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ www.dfte.ufrn.br/petfisica
8 5. Faça dinheiro
Objetivo O objetivo deste experimento é demonstrar que a associação de espelhos pode multiplicar imagens, ou seja, podemos aparentemente ter a reflexão de um objeto refletido.
Contexto Associando espelhos corretamente, é possível fazer com que as imagens refletidas se multipliquem de acordo com o ângulo formado entre as faces dos espelhos.
Idéia do Experimento Dois espelhos têm um de seus lados unidos de modo que eles possam ser dispostos formando um ângulo. O ângulo menor fica entre as faces reflexivas. Coloca-se uma moeda entre as faces. Os raios de luz que partem dela chegam ao observador de vários modos: 1 - Saem diretamente: imagem real. 2 - Fazem uma única reflexão nos espelhos: primeira ordem; imagem virtual. 3 - Fazem duas ou mais reflexões: segunda ordem; imagem virtual, terceira ordem; imagem virtual etc.
Material Dois espelhos (Destes pequenos, com as bordas laranja e de plástico. Geralmente são encontrados em supermercados ou bazares). Fita adesiva (Durex, fita crepe, fita isolante etc). Moeda
Montagem Retire as bordas dos espelhos. Cole os dois espelhos com a fita adesiva no lado não reflexivo. Deixe um espaço entre os espelhos de modo que se possa encostá-los, quando montados. Na figura abaixo não aparecem todas as imagens que são formadas, para não saturar o desenho.
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Para pesquisar Os periscópios são instrumentos muito usados em submarinos, porque permite visões panorâmicas do ambiente externo ao veiculo. Embora os periscópios dos submarinos sejam muito mais sofisticados, a figura abaixo mostra um periscópio simples, montados nas trincheiras durante a primeira guerra mundial. Pesquise em livros, internet ou revistas uma maneira de construir um periscópio simples com espelhos planos.
6. Refração – Parte I
Objetivo O objetivo deste experimento é construir um sistema onde é possível observar a trajetória de um raio sendo refratado, ou seja, sendo desviado da sua trajetória inicial.
Contexto A refração é o fenômeno no qual a luz muda sua direção de propagação ao mudar de um meio para outro, como por exemplo, água e ar, ar e vidro etc. O índice de refração (n) é uma propriedade de um determinado meio (por exemplo: nar = 1; nvidro = 1,52; nágua = 1,33) e que influencia diretamente a intensidade e a direção do raio de luz refratado. Quando o índice de refração do meio do qual a luz provém é menor do que o do meio em que ela vai penetrar, os raios tendem a se aproximar da reta normal à superfície que separa os meios. No nosso caso o feixe, ao penetrar na água, se aproxima da normal porque o índice de refração da água é maior que o do ar. E ao sair, se afasta, pois nar < nágua, como na figura abaixo.
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Idéia do Experimento Uma caixa de sapatos com uma lâmpada dentro é arranjada de modo que saia dela um feixe fino de luz. O feixe, ao atravessar uma caixa transparente cheia de água é refratado, ficando claro que ele muda sua trajetória.
Material Fio elétrico Bocal de lâmpada Plug elétrico Lâmpada de 60 Watts do tipo cristal (Tentamos realizar o experimento com lâmpadas de potências maiores, mas não obtivemos resultados satisfatórios). Caixa de sapatos Régua Molegata da marca TRIDENT (Usada dada a facilidade que se tem para dobrá-la). Cartolina Adesivo plástico para PVC - cola de cano (Pode ser substituído por qualquer tipo de supercola (Super-Bonder)). Caixinha de CD Água
Montagem Corte as extremidades da régua retirando a inscrição da logomarca e furo, deixando a régua com 16 cm. Faça três dobras na régua de forma a resultar um anel retangular de 5 x 3 cm e cole as duas extremidades (com a cola para PVC). Retire com cuidado a tampa da caixinha de CD, retirando todas as suas laterais. Cole a base deste "anel" formado pela régua na tampa da caixa de CD, como na figura www.dfte.ufrn.br/petfisica
11 abaixo.
Corte um retângulo da caixa de sapatos a partir da borda (ver figura 1). Cole um pedaço de cartolina no lugar do retângulo retirado. Faça apenas um corte na cartolina, com tesoura, de fora para dentro da caixa (ver figura 2). Monte o circuito que irá acender a lâmpada (fio, plug e bocal). Coloque a lâmpada sobre a superfície que será realizado o experimento e tape-a com a caixa. A luz emitida pela caixa será reduzida a um feixe fino que a através do corte feito na cartolina colada onde foi retirado um retângulo da caixa. Coloque água dentro da caixa feita com a régua e tampa da caixa de CD e direcione a ela o feixe emitido pela caixa.
Comentários Para o bom andamento do experimento é importante que a caixa que emitirá o feixe e a caixinha com água fique no mesmo plano.
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12 Para refletir 1) Se a rapidez (velocidade) de propagação da luz fosse a mesma em todos os materiais, ainda ocorreria a refração quando a luz a de um meio para outro? Justifique. _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________
7. Refração – Parte II
Objetivo Mostrar que o fenômeno de refração nos permite ver um objeto que, sem o dito fenômeno, seria impossível.
Contexto A refração da luz é responsável por muitas ilusões; uma delas é a aparência dupla que uma vareta apresenta quando imersa parcialmente em água. O peixe parece estar mais próximo da superfície e de você (figura abaixo). Devido à refração objetos submersos parecem estar ampliados. Se olharmos diretamente para baixo, na água um objeto que está submerso a 4 metros da superfície parecerá estar a apenas 3 metros.
Vemos que podemos interpretar o desvio da luz na superfície da água de pelo menos duas maneiras diferentes. Uma delas é que a luz que vem do peixe e alcança o olho do observador o faz no mínimo tempo, tomando um caminho ascendente mais curto em direção à superfície da água e um caminho correspondente mais longo através do ar. Ou podemos dizer que as ondas luminosas se www.dfte.ufrn.br/petfisica
13 dirigem para cima, em um determinado ângulo com a superfície da água, sofrem desvios quando se aceleram ao emergirem no ar, ondas essas que acabam alcançando o olho do observador. Material Pote de margarina ou copo descartável opaco (colorido) Moeda ou objeto do tamanho da moeda Água Mesa (60 a 70 cm de altura) Cola
Montagem Cole (ou simplesmente, coloque) a moeda na parte central do fundo interno do recipiente.
Procedimento Coloque o recipiente numa mesa. Fique em torno do recipiente (figura A). Observe a moeda no fundo do recipiente e depois se afaste até não mais vê-Ia. Fique nessa posição extrema da qual não se vê mais a moeda. Quando você estiver afastado, naquela posição, peça que alguém despeje lentamente, no recipiente, a água, até encher (figura B). Descreva o observado e relacione com o fenômeno de refração.
Para refletir 1) Estando em pé sobre uma barragem, se você deseja fisgar com uma lança um peixe que www.dfte.ufrn.br/petfisica
14 está à sua frente, você deveria mirar acima, abaixo ou diretamente no peixe observado? Por quê? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________
8. Lente convergente
Objetivo O objetivo deste experimento é construir um sistema onde é possível observar a trajetória de um raio sendo refratado por uma lente convergente.
Contexto Lentes são objetos translúcidos que apresentam duas superfícies refrativas. Lentes convergentes são, em geral, lentes de bordos finos mergulhadas em uma substância de índice de refração menor do que o do material de que é formado a lente. São muito utilizadas pela medicina para corrigir doenças da visão, como por exemplo, a miopia.
Idéia do Experimento Uma caixa de sapatos com uma lâmpada dentro é arranjada de modo que saia dela um feixe fino de luz. O feixe, ao atravessar uma lente convergente feita com uma régua e um pedaço de uma garrafa de refrigerante cheia de água, é refratado. Mudando-se a posição de incidência do raio sobre a lente, observa-se que eles convergem depois de ar pela lente, ou seja, tendem a se encontrar.
Material Fio elétrico Bocal de lâmpada Plug elétrico Lâmpada de 60 Watts do tipo cristal (Tentamos realizar o experimento com lâmpadas de potências maiores, mas não obtivemos resultados satisfatórios). Caixa de Sapatos Garrafa plástica de Coca-cola de 600 ml www.dfte.ufrn.br/petfisica
15 Régua Molegata da marca TRIDENT Cartolina Adesivo plástico para PVC - cola de cano (Pode ser substituído por qualquer tipo de supercola (Super-Bonder)) Água Duratex (Pode ser substituído por qualquer tipo de madeira).
Montagem Corte uma fatia da garrafa na parte mais lisa, onde fica o rótulo, com aproximadamente três centímetros de largura. Corte a fatia ao meio, transversalmente, de modo que vista de cima, tenha a forma de um semi-círculo. Cole as duas extremidades da "semi-fatia" na régua e depois as cole na madeira de 30 x 80 cm. Corte um retângulo da caixa de sapatos a partir da borda (ver figura 1). Cole um pedaço de cartolina no lugar do retângulo retirado. Faça apenas um corte na cartolina, com tesoura, de fora para dentro da caixa (ver figura 2). Monte o circuito que irá acender a lâmpada (fio, plug e bocal). Coloque a lâmpada sobre a madeira e tape-a com a caixa. A luz emitida pela caixa será reduzida a um feixe fino que a através do corte feito na cartolina colada onde foi retirado um retângulo da caixa. Coloque água dentro da caixa feita com a régua e a garrafa e direcione a ela o feixe emitido pela caixa.
Comentários Acreditamos que se o feixe emitido pela caixa de sapatos for substituído por um laser-point, também apresentará um bom resultado. www.dfte.ufrn.br/petfisica
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Para refletir 1) Se a luz se propagasse no vidro e no ar com a mesma rapidez, as lentes de vidro alterariam a direção dos raios luminosos? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 2) Em certos momentos, astronautas abandonam porções da água no interior de espaçonaves em orbita ao redor da Terra, que am a levitar, apresentando formato praticamente esférico. Olhando através dessas esferas liquidas, nota-se quase sempre a formação de imagens invertidas e menores de objetos situados do seu lado oposto. As lentes assim constituídas têm comportamento convergente ou divergente? Como se explica a forma esférica dessa porção de água? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________
9. Espelho côncavo
Objetivo Este experimento tem por objetivo construir um espelho côncavo bem como observar como os raios de luz se comportam quando são refletidos por ele.
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17 Contexto Sabe-se que quando um raio de luz incide em um espelho plano, é refletido com o mesmo ângulo com o qual incidiu em relação à normal. Porém se encurvarmos este espelho, de modo que a superfície refletora assuma uma forma côncava, isto não ocorre. Neste caso teremos um espelho côncavo que obedece a algumas propriedades. Uma delas, e a mais interessante neste caso, é que raios que incidem paralelamente ao eixo central desse espelho côncavo, são refletidos ando pelo foco do mesmo, como na figura abaixo. Foco, ou distância focal, é a metade do raio de curvatura do espelho.
F é o foco e C o centro de curvatura
Idéia do Experimento Um pente e uma lanterna são utilizados para formar feixes luminosos paralelos. Ao interceptar os feixes com um espelho côncavo, observa-se que os raios luminosos são refletidos por ele, ando por um ponto que é a metade do seu raio, ou seja, o foco.
Material Garrafa Pet de 2L de refrigerante ou qualquer outro objeto/embalagem que possa fornecer um anel com diâmetro semelhante. Embalagem dos Salgadinhos ELMA CHIPS (Utilizamos uma embalagem de BACONZITOS, mas pode ser utilizada a embalagem de qualquer outro salgadinho desta marca. Pode-se utilizar também uma embalagem de pó de café que é feita de um material muito parecido). Pente Lanterna Cola branca
Montagem Corte a garrafa transversalmente de modo a formar um anel (Figura 1). www.dfte.ufrn.br/petfisica
18 Corte o anel ao meio de forma que visto de cima seja um semi-círculo (Figura 2). Cole um pedaço da embalagem de salgadinho (com o mesmo tamanho da parte da garrafa) na face côncava do "semi-círculo", tendo cuidado para que a face mais refletora da embalagem fique voltada para a concavidade do "semi-círculo", com a finalidade de se formar um espelho côncavo. A face mais refletora da embalagem é o lado de dentro. Ilumine, com a lanterna, a superfície na qual será realizada a experiência, fazendo com que o feixe de luz gerado pela lanterna fique quase paralelo a esta superfície. Coloque o pente na frente deste fixe na posição vertical ("em pé"). A luz gerada pela lanterna foi dividida em pequenos feixes. Colocando o espelho côncavo na frente desses feixes, é possível observar que eles são refletidos em direção ao foco do espelho.
Comentário Melhores resultados serão obtidos se a lanterna permanecer o mais longe possível do pente. Utilizando os mesmos princípios também é possível construir um espelho convexo apenas colando o pedaço da embalagem do outro lado da parte retirada da garrafa.
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19 Os raios andam paralelos às sombras, que são mais facilmente visualizadas. Para refletir 1) Mariquinha, estando a 20 cm de distância de um espelho esférico, vê sua imagem ampliada três vezes. Qual o tipo desse espelho? Explique. _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 2) (UFRN- Modificada) Marcela, aluna da 4a série do ensino fundamental, ficou confusa na feira de ciências de sua escola, ao observar a imagem de um boneco em dois espelhos esféricos. Ela notou que, com o boneco colocado a uma mesma distância dos espelhos, suas imagens produzidas por esses espelhos apresentavam tamanhos diferentes, conforme mostrado nas figuras 1 e 2, reproduzidas abaixo.
Qual o tipo de cada espelho? Justifique sua resposta. _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________
3) Os espelhos esféricos convexos são utilizados em pontos estratégicos de garagens, cruzamentos de ruas estreitas, portas de elevadores e ônibus (figura ao lado). Qual a vantagem dos espelhos convexos sobre os espelhos planos, nesses casos? _____________________________________________ _____________________________________________ _____________________________________________ www.dfte.ufrn.br/petfisica
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4) A figura ao lado mostra o esquema de um fogão solar, projetado para ser utilizado no campo. Os raios solares paralelos incidem sobre um captador parabólico. Por que a a contendo alimentos é colocada onde aparece na figura? Como é chamado esse ponto, na FÍSICA? _________________________________________ _________________________________________ _________________________________________ _________________________________________ _________________________________________ _________________________________________
10. Ilusão óptica: porquinho
Objetivo O objetivo deste experimento é utilizar um dispositivo capaz de mostrar uma imagem real E tridimensional, sem anteparo.
Idéia do Experimento Dois espelhos côncavos, de muito boa qualidade, são superpostos formando uma concha fechada ou levemente espaçada, como se fossem dois pratos colocados um contra o outro. Essa concha tem um orifício circular em sua cúpula, por onde entra e sai luz. Então, se uma moeda for colocada sobre a base interna do espelho inferior, uma imagem real da moeda pode ser vista pairando sobre a abertura do espelho superior. Os dois espelhos devem ter a separação e a curvatura adequadas para que esse efeito possa ser observado.
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Material Dois espelhos côncavos (um deles com uma abertura circular) Um objeto (utilizamos um porquinho)
Montagem Coloque os dois espelhos parabólicos com as faces refletoras voltadas para dentro, uma de frente para a outra, com os eixos principais coincidentes. O espelho com a abertura circular deve ficar na parte superior. Coloque o porquinho no espelho inferior.
Fundamentação teórica Uma ilusão de óptica é a análise, decodificação e síntese de uma imagem, feita pelo cérebro, que não corresponde fielmente ao objeto a partir do qual foi formada. Se você tentar pegar o porquinho, verá que o objeto visto no ar não está ali. Como aquela imagem é formada? O objeto é colocado no vértice do espelho inferior, que coincide com o foco do espelho superior. Dessa forma, a luz difundida pelo objeto incide no espelho superior, reflete-se paralelamente ao eixo principal dos dois espelhos, incide no espelho inferior e converge para o foco do espelho inferior que está um pouco acima da abertura do espelho superior, como mostra a figura ao lado. Ver alguma coisa não é apenas uma experiência física, mas um fenômeno psicológico de percepção. O que vemos não é o objeto em si, mas o resultado das impressões que a luz proveniente desse objeto causa na retina que, por sua vez, são interpretados pelo nosso cérebro. www.dfte.ufrn.br/petfisica
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Comentários Para que o experimento seja realizado com sucesso o foco do espelho inferior deve está um pouco acima da abertura do espelho superior.
Outras ilusões de óptica:
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11. Água óptica
Objetivo O objetivo deste experimento é construir um sistema em que uma coluna de água conduza luz de forma curva, o que mostra o fenômeno da reflexão total.
Contexto Quando um raio de luz se propaga em um meio com um determinado índice de refração e tenta atravessar para outro meio com índice de refração menor do que este em que ela vêm se propagando, parte da luz será refratada e a outra parte será refletida. Se aumentarmos o ângulo de incidência do raio de luz neste novo meio, chegará a um ângulo em que toda luz será refletida. A este ângulo damos o nome de Ângulo Limite e a este fenômeno Reflexão Total.
Idéia do Experimento Um sistema é arranjado de modo tal que a água que escoa de um furo feito em uma garrafa e iluminado por uma lanterna, conduza alguns raios desta luz emitida pela lanterna durante sua trajetória. Colocando um aparato (como a mão, por exemplo) no final do feixe de água que sai da www.dfte.ufrn.br/petfisica
24 garrafa, observa-se uma luminosidade de espessura do feixe d'água. Pode-se concluir então que o feixe d'água conduz a luz até o aparato. É interessante salientar que este é o mesmo princípio utilizado pela condução de luz dentro da fibra óptica.
Material Garrafa de óleo de cozinha plástica e transparente. Tinta acrílica (Pode-se também usar qualquer tipo de tinta ou fita isolante para impedir que a luz atravesse uma das faces da garrafa de óleo). Pincel para aplicar a tinta. Lanterna. Água. Recipiente para colher a água (Pode ser utilizado uma bacia ou um recipiente grande qualquer. O experimento também pode ser realizado em uma pia, sendo que, a água que escoa da garrafa pode vir direto da torneira e ser recolhida pela pia quando sai da garrafa).
Montagem Corte a parte superior da garrafa, retirando a boca. Limpe o interior dela com detergente. Faça um furo, com aproximadamente meio centímetro de diâmetro, em uma das faces da garrafa de óleo, o mais baixo possível. Pinte com tinta a face da garrafa em que foi feito o furo. Nós usamos tinta acrílica e deixamos secar por aproximadamente um dia. Tape o furo, coloque água na garrafa e ilumine, com a lanterna, a face oposta à face que está pintada. Solte o furo e coloque a mão no feixe da água que escorre da garrafa.
Comentários Para que o experimento seja realizado com sucesso o ambiente deve permanecer o mais escuro possível.
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Para refletir 1) Uma importantíssima aplicação da reflexão total dá-se nas fibras ópticas, largamente usadas na tecnologia moderna. Como elas são utilizadas nas comunicações e na medicina? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________
12. Fábrica de arco-íris
Objetivo O objetivo deste experimento é decompor a luz, mostrando que ela é formada por componentes coloridas.
Contexto A luz normal, também chamada de luz branca, assim como a cor branca, é a formada por componentes de luz de todas as cores. Só podemos perceber que cada objeto tem sua cor porque quando luz branca incide sobre ele, este reflete a cor que o pigmento consegue emitir. Um objeto de cor vermelha, por exemplo, apesar de estar recebendo todas as cores, só reflete a componente vermelha; um objeto branco reflete todas as componentes e não absorve nenhuma; um objeto preto absorve todas as cores e não reflete nenhuma. Por isso é que quando estamos expostos ao sol, vestindo uma roupa branca, sentimos estar esquentando menos que com uma roupa escura: a roupa branca reflete todas as componentes coloridas da luz branca, enquanto a preta absorve todas. Quando a luz branca sofre refração, cada cor que a compõe é refratada com um ângulo diferente. Isto se deve a cada cor ter um índice de refração diferente, o que justifica cada cor ser www.dfte.ufrn.br/petfisica
26 refratada com um ângulo.
Idéia do Experimento Um raio de luz penetra na água e sofre refração. Cada cor refrata com um ângulo diferente e então as componentes seguem caminhos separados; após, cada raio é refletido por um espelho imerso na água e volta para a superfície; quando o raio sai da água, sofre novamente refração e cada cor já decomposta se decompõe em outras cores da mesma "família", como por exemplo, a componente vermelha da luz dá origem a vários tons de vermelho. Quando os raios saem da água, atingem um aparato onde é possível ver que a luz branca que incidiu na água é decomposta em todas as cores que a constitui. Esta decomposição é chamada de espectro, que é o mesmo visto em um arco-íris.
Material Espelho (Desses pequenos com moldura alaranjada. São encontrados em qualquer supermercado ou bazar). Assadeira (Pode ser substituída por uma bandeja funda, bacia ou tuperware). Água Cartolina (Para ser usada como aparato de observação do espectro).
Montagem Encha a assadeira com água. Coloque o espelho inclinado dentro dela. Faça com que a luz do Sol reflita no espelho no interior da assadeira e atinja um aparato de preferência de cor clara. Observe que a luz refletida é um espectro composto pelas cores do arco-íris. www.dfte.ufrn.br/petfisica
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Comentário O melhor resultado é obtido refletindo a luz do Sol em um local menos iluminado, como por exemplo, uma parede clara à sombra ou uma cartolina não iluminada diretamente pela luz solar. Pode-se realizar também este experimento refletindo a luz emitida por uma lâmpada fluorescente (luz fria) em uma folha branca.
13. Aquarela
Objetivo O objetivo deste experimento é mostrar que a luz pode ser formada de componentes coloridas. Em outras palavras, é mostrar que todas as cores podem ser obtidas pela composição das cores primárias.
Contexto Existem instrumentos ópticos, como por exemplo, o prisma, que são capazes de dividir a luz em todas as suas componentes. O contrário também acontece, ou seja, é possível, a partir de suas componentes, gerar uma cor. Na natureza existem três cores básicas, as quais podemos chamar de www.dfte.ufrn.br/petfisica
28 cores primárias, são elas: vermelho, amarelo e azul. A partir destas cores podemos gerar qualquer outra cor, inclusive o branco. Fazendo com que cada pigmento destas cores ocupem um o lugar do outro muito rapidamente, pela nossa capacidade visual, a cor que enxergaríamos seria uma mistura das duas cores. Por exemplo, se fizermos com que dois objetos de cores azul e amarelo alternem suas posições com uma freqüência maior do que a freqüência com que nossa visão poderia distinguir a alternância das posições, não conseguiríamos distinguir em determinado momento qual seria o objeto colorido que estaria ocupando aquele lugar. Então, o que conseguiríamos ver seria uma soma das ondas emitidas por cada pigmento desses dois objetos; neste caso, a soma das ondas luminosas entre azul e amarelo, é a onda que corresponde à cor verde. Para se gerar a cor branca o processo é um pouco mais complicado, segundo Isaac Newton a cor branca é uma soma de todas as cores. Só que dependendo do conjunto de cores usado, cada uma tem uma proporção de participação diferente e não muito fácil de calcular.
Idéia do Experimento Para alternar a posição das cores utilizamos um disco pintado cada parte de uma cor e o giramos utilizando uma brincadeira de criança muito comum que consiste em ar um barbante duas vezes pelo disco, enrolá-lo e depois desenrolá-lo.
Material Tampa plástica (Nós utilizamos a tampa de plástico translúcido do achocolatado NESCAU devido à sua leveza e a facilidade que se tem para furá-la, porém, pode-se utilizar qualquer tampa plástica com tamanho aproximado). Barbante de algodão (Aproximadamente 120 cm). Papel branco Canetinha hidrocor (Pode ser substituída por lápis de cor, giz de cera, tinta ou até mesmo recortes de papel colorido). Cola
Montagem Retire as bordas da tampa que será utilizada de maneira a formar um disco. Recorte um círculo de papel do tamanho do disco e divida-o em seis partes. Pinte cada parte utilizando as cores azul e vermelho alternadamente. Faça dois furos na mesma linha, não muito próximos e eqüidistantes do centro do disco. www.dfte.ufrn.br/petfisica
29 e o barbante pelos dois furos e ate as duas pontas. Coloque o disco aproximadamente no centro do barbante. Enrole o barbante fazendo movimentos circulares com o disco. Estique o barbante e o disco começará a rodar, afrouxe o barbante para que, com o movimento do disco, ele enrole novamente. Começe, então, um movimento de vai e vem com o barbante. Notar-se-á que o movimento das cores vermelha e azul resultará na cor roxa.
Comentários Este experimento pode ser realizado utilizando a várias combinações de cores, como azul e amarelo, que resulta na cor verde; vermelho e amarelo, que resulta em alaranjado etc. Sugerimos até, que se coloque uma combinação de cores de um lado do disco e outra do outro.
14. Difração de fio de cabelo
Objetivo O objetivo deste experimento é mostrar que a luz pode ser formada de componentes coloridas. Em outras palavras, é mostrar que todas as cores podem ser obtidas pela composição das cores primárias.
Contexto Nas experiências anteriores vimos que a luz pode ser desviada de sua trajetória retilínea de propagação pela reflexão e pela refração, e agora vemos outra maneira pela qual isso pode ser obtido. Qualquer desvio sofrido pela luz por outros meios que não reflexão e refração é chamado de www.dfte.ufrn.br/petfisica
30 difração. Quando a luz a por uma abertura que é grande, comparada ao seu comprimento de onda, ela projeta uma sombra como a que é mostrada na figura 1. Observamos uma fronteira bem definida entre a área iluminada e a área escura da sombra. Mas se a luz atravessa uma fenda estreita entre a área iluminada e a área escura da sombra. Mas se a luz atravessa uma fenda estreita feita num pedaço de cartolina com uma fina lamina de barbear, observamos que a luz difrata (figura 2).
figura 1
figura 2
Quando a luz a através de uma fenda estreita (de largura comparável ao comprimento de onda da luz), o feixe de luz não só se alarga alem da sombra geométrica da fenda, como também uma serie de faixas claras e escuras, como mostra a figura 3.
A figura 4 mostra o gráfico da distribuição de intensidade da luz difratada através de uma fenda única.
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figura 4
Idéia do Experimento Como a difração por obstáculo de espessura d (fio de cabelo) não apresenta diferentes leis ou equações no que se refere à difração de uma única fenda de espessura similar (NUSSENZVEIG, 1998), incidimos um feixe de luz com um apontador laser sobre um fio de cabelo, posicionado numa abertura de um pedaço de papelão e observaremos a figura de difração formada no anteparo com seus máximos e mínimos de intensidade.
Material Fio de cabelo Apontado Laser, com comprimento de onda conhecido (pode ser adquirido em lojas de brinquedo) Anteparo Trena Régua e para fio de cabelo Fita adesiva
Montagem Coloque o fio de cabelo no e apropriado usando uma fita adesiva. www.dfte.ufrn.br/petfisica
32 Incida o apontador Laser sobre o fio de cabelo e projete a figura no anteparo, conforme mostra a figura 5.
figura 5 Determinação do diâmetro do fio de cabelo Ligando o apontador, observa-se facilmente sobre o anteparo uma figura de difração semelhante a da figura 3. Mede-se, então, com auxilio de uma régua, a distância y entre dois máximos (primários) consecutivos (fig. 6). Com isso, reduz o erro na medida, pois, o que é necessário, na realidade, é a distancia entre o máximo central e o máximo que se deseja medir (primário).
figura 6 É previsto que os máximos ocorrerão sob ângulos θ dados, teoricamente, pela expressão: d=
λ senθ
(para o primeiro máximo).
Mas,
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senθ =
y/2 D 2 + ( y / 2)
2
,
Então:
D 2 + ( y / 2) 2 d = λ . y/2
Comentários Para que o experimento seja realizado o ambiente deve permanecer o mais escuro possível.
Para refletir 1) O que é necessário para uma onda sofrer difração? As ondas sonoras (som) podem sofrer difração? Explique. _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________
2) Na figura abaixo, um muro muito espesso separa duas pessoas em uma região plana, sem outros obstáculos. As pessoas não se vêem, mas, apesar do muro, se ouvem claramente. Por que elas podem se ouvir e não podem ser ver? Explique sua resposta usando conceitos da Física. _______________________________________________ _______________________________________________ _______________________________________________ _______________________________________________ _______________________________________________
Ampliada por Edson José da C. Santos
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“Aprendendo com a luz” Óptica
Edson José da Costa Santos Cristóvão Porciano do Nascimento Júnior
Natal – RN 2010.2
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Óptica: Aprendendo com a luz! 1. Introdução
A oficina “Aprendendo com a Luz” tem por objetivo: desmitificar o ensino de Física, apontar para um caminho lúdico e prazeroso, reduzir a dicotomia teoria-prática e explorar uma Física fenomenológica, contextualizada e interdisciplinar. Utilizando modelos experimentais que facilitam o entendimento dos fenômenos relacionados à óptica da visão, a fibra óptica, miragem, formação de imagem em espelhos etc. pretendemos facilitar e ampliar o o ao conhecimento de nossos futuros e/ou atuais professores para que eles façam do ensino de Física algo realmente prazeroso.
2. Cartões furados
Objetivo Este experimento tem por objetivo demonstrar que os raios de luz se propagam em linha reta.
Contexto A luz, para a maior parte dos fenômenos cotidianos, propaga-se em forma de raios. Estes são compostos de partículas (fótons), e se propagam sempre retilineamente a partir da fonte. Em algumas situações, a luz também pode comportar-se como onda. Isto é perfeitamente explicado pela Física.
Idéia do experimento Três cartões iguais com um pequeno orifício no meio são dispostos em fila de forma que fiquem exatamente alinhados. Em um extremo é colocada uma vela acesa cuja chama fica alinhada com os furos dos cartões. No outro extremo fica o observador. Há duas situações de observação. Na primeira, os furos dos cartões ficam alinhados e é possível ver a chama da vela do outro lado porque a luz se propaga em linha reta através dos furos. No segundo caso, retira-se qualquer um dos três cartões do alinhamento e não mais é possível ver a luz porque ela esbarra em um dos cartões. Para que se pudesse enxergar a luz, ela teria que ter uma trajetória curva. Com os resultados de ambas as disposições, se conclui que a luz se propaga em linha reta.
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3 Material Cartolina (pode ser substituída por qualquer tipo de papelão não muito grosso). Vela (Pode ser substituída por uma lanterna)
Montagem Corte três retângulos (10 cm x 15 cm) iguais de cartolina (veja figura abaixo). Faça um corte reto (5 cm) no meio do lado menor de cada cartão. No lado cortado, dobre cada parte para um lado de modo que se crie um apoio para que o cartão fique na vertical. Coloque os cartões em fila de modo que fiquem exatamente alinhados. Em um extremo da fila, coloque uma vela acesa cuja chama fique alinhada com os furos dos cartões.
Comentários Para o bom andamento do experimento é importante que os cartões sejam exatamente iguais. A altura da chama da vela deve ser igual à dos furos dos cartões.
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4 Para pensar 1) O que explica as grandes sombras projetadas pelas extremidades das finas pernas de um mosquito d’ água? _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________
3. Câmara escura
Objetivo Este experimento tem por objetivo a construção de uma câmara escura onde é possível observar a imagem da chama de uma vela sendo projetada em seu interior.
Contexto Segundo os princípios da óptica geométrica, os raios de luz se propagam em linha reta. Na câmara escura, todos os raios de luz que são emitidos pelo objeto a ser projetado, am através de um pequeno orifício e atinge o aparato no interior dela. Assim sendo, a luz que sai do ponto mais alto do objeto atingirá o aparato no ponto mais baixo da imagem projetada, formando uma imagem invertida como na figura abaixo.
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Idéia do Experimento Projeta-se a luz emitida pela chama de uma vela na parte interna da tampa de uma lata de chocolate em pó, apenas fazendo um furo em seu fundo.
Material Lata de NESCAU (Será utilizada também a tampa de plástico translúcido. Pode ser utilizada qualquer lata que tenha uma tampa feita com o mesmo material da tampa da lata de Nescau). Vela Prego (Será utilizado apenas para fazer um furo no fundo da lata, por isso, pode ser substituído por qualquer outro objeto de metal pontiagudo).
Montagem Faça um furo, o menor possível, no meio do fundo da lata e tape-a com a tampa de plástico. Acenda a vela e aproxime o fundo da lata até ver a imagem refletida na tampa.
Comentários Para que o experimento seja realizado o ambiente deve permanecer o mais escuro possível. Esquema Geral de Montagem
Para pensar 1) Qual seria o efeito de uma câmara escura que tivesse dois furos de alfinete ao invés de um, apenas? E se ela tivesse múltiplos furos desse tipo? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ www.dfte.ufrn.br/petfisica
6 4. Pente reflexivo:
Objetivo O objetivo deste experimento é observar a reflexão e comprovar a lei que rege este fenômeno.
Contexto Reflexão é o fenômeno pelo qual a luz ao encontrar um obstáculo é rebatida. Para melhor compreender este fenômeno é preciso antes definir as duas etapas da reflexão. Na primeira etapa (incidência) o raio de luz chega até o espelho. Ao ângulo que este raio forma com o espelho damos o nome de ângulo de incidência. Já na segunda etapa, o raio de luz sai do espelho (reflexão). Ao ângulo que este raio forma com o espelho damos o nome de ângulo de reflexão. Para a reflexão existe uma lei: o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.
Idéia do Experimento Um espelho é colocado na posição vertical em contato com a superfície de uma mesa. Em sua frente, coloca-se um pente com os dentes encostados na mesma superfície. Posiciona-se uma lanterna de modo que a sombra produzida pelos dentes do pente atinjam o espelho fazendo sombra na superfície, tanto quando incide no espelho, como quando refletem. Para conferir a lei da reflexão coloque um papel na superfície da mesa, em baixo do espelho e do pente. Risque o papel com um lápis na base do espelho. Risque a trajetória de um dos raios que saem do pente e são refletidos pelo espelho. Observe que no papel aparecerá a trajetória de um dos feixes de luz. É possível medir com um transferidor os ângulos de incidência e reflexão e constatar que eles são iguais.
Material Pente Espelho desses pequenos com as bordas alaranjadas. São encontrados em qualquer supermercado ou bazar. Lanterna Papel Lápis ou caneta Transferidor (Este instrumento só será utilizado para medir os ângulos de incidência e reflexão. Por isso, sua ausência não comprometerá o funcionamento do experimento, uma vez que é possível observar a olho nu a semelhança dos ângulos). www.dfte.ufrn.br/petfisica
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Para refletir 1) Você já deve ter notado que o nome AMBULÂNCIA é impresso na parte da frente dos veículos ao contrário (da direita para a esquerda), como mostra a figura abaixo. Por que isso acontece? Isso ATRAPALHA ou NÃO ATRAPALHA os motoristas dos carros que estão na frente da ambulância? Explique, a sua resposta _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________ _____________________________________________________
2) Você já deve ter reparado que os apresentadores de telejornais narram às noticias sem baixar os olhos para ler em folhas de papel. Quem está assistindo ao programa tem a impressão de que os textos são decorados. Teriam esses profissionais uma memória tão prodigiosa, capaz de reter toda a edição de um programa noticiário que dura em média meia hora? Eles utilizam algum equipamento? Explique. _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ www.dfte.ufrn.br/petfisica
8 5. Faça dinheiro
Objetivo O objetivo deste experimento é demonstrar que a associação de espelhos pode multiplicar imagens, ou seja, podemos aparentemente ter a reflexão de um objeto refletido.
Contexto Associando espelhos corretamente, é possível fazer com que as imagens refletidas se multipliquem de acordo com o ângulo formado entre as faces dos espelhos.
Idéia do Experimento Dois espelhos têm um de seus lados unidos de modo que eles possam ser dispostos formando um ângulo. O ângulo menor fica entre as faces reflexivas. Coloca-se uma moeda entre as faces. Os raios de luz que partem dela chegam ao observador de vários modos: 1 - Saem diretamente: imagem real. 2 - Fazem uma única reflexão nos espelhos: primeira ordem; imagem virtual. 3 - Fazem duas ou mais reflexões: segunda ordem; imagem virtual, terceira ordem; imagem virtual etc.
Material Dois espelhos (Destes pequenos, com as bordas laranja e de plástico. Geralmente são encontrados em supermercados ou bazares). Fita adesiva (Durex, fita crepe, fita isolante etc). Moeda
Montagem Retire as bordas dos espelhos. Cole os dois espelhos com a fita adesiva no lado não reflexivo. Deixe um espaço entre os espelhos de modo que se possa encostá-los, quando montados. Na figura abaixo não aparecem todas as imagens que são formadas, para não saturar o desenho.
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Para pesquisar Os periscópios são instrumentos muito usados em submarinos, porque permite visões panorâmicas do ambiente externo ao veiculo. Embora os periscópios dos submarinos sejam muito mais sofisticados, a figura abaixo mostra um periscópio simples, montados nas trincheiras durante a primeira guerra mundial. Pesquise em livros, internet ou revistas uma maneira de construir um periscópio simples com espelhos planos.
6. Refração – Parte I
Objetivo O objetivo deste experimento é construir um sistema onde é possível observar a trajetória de um raio sendo refratado, ou seja, sendo desviado da sua trajetória inicial.
Contexto A refração é o fenômeno no qual a luz muda sua direção de propagação ao mudar de um meio para outro, como por exemplo, água e ar, ar e vidro etc. O índice de refração (n) é uma propriedade de um determinado meio (por exemplo: nar = 1; nvidro = 1,52; nágua = 1,33) e que influencia diretamente a intensidade e a direção do raio de luz refratado. Quando o índice de refração do meio do qual a luz provém é menor do que o do meio em que ela vai penetrar, os raios tendem a se aproximar da reta normal à superfície que separa os meios. No nosso caso o feixe, ao penetrar na água, se aproxima da normal porque o índice de refração da água é maior que o do ar. E ao sair, se afasta, pois nar < nágua, como na figura abaixo.
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Idéia do Experimento Uma caixa de sapatos com uma lâmpada dentro é arranjada de modo que saia dela um feixe fino de luz. O feixe, ao atravessar uma caixa transparente cheia de água é refratado, ficando claro que ele muda sua trajetória.
Material Fio elétrico Bocal de lâmpada Plug elétrico Lâmpada de 60 Watts do tipo cristal (Tentamos realizar o experimento com lâmpadas de potências maiores, mas não obtivemos resultados satisfatórios). Caixa de sapatos Régua Molegata da marca TRIDENT (Usada dada a facilidade que se tem para dobrá-la). Cartolina Adesivo plástico para PVC - cola de cano (Pode ser substituído por qualquer tipo de supercola (Super-Bonder)). Caixinha de CD Água
Montagem Corte as extremidades da régua retirando a inscrição da logomarca e furo, deixando a régua com 16 cm. Faça três dobras na régua de forma a resultar um anel retangular de 5 x 3 cm e cole as duas extremidades (com a cola para PVC). Retire com cuidado a tampa da caixinha de CD, retirando todas as suas laterais. Cole a base deste "anel" formado pela régua na tampa da caixa de CD, como na figura www.dfte.ufrn.br/petfisica
11 abaixo.
Corte um retângulo da caixa de sapatos a partir da borda (ver figura 1). Cole um pedaço de cartolina no lugar do retângulo retirado. Faça apenas um corte na cartolina, com tesoura, de fora para dentro da caixa (ver figura 2). Monte o circuito que irá acender a lâmpada (fio, plug e bocal). Coloque a lâmpada sobre a superfície que será realizado o experimento e tape-a com a caixa. A luz emitida pela caixa será reduzida a um feixe fino que a através do corte feito na cartolina colada onde foi retirado um retângulo da caixa. Coloque água dentro da caixa feita com a régua e tampa da caixa de CD e direcione a ela o feixe emitido pela caixa.
Comentários Para o bom andamento do experimento é importante que a caixa que emitirá o feixe e a caixinha com água fique no mesmo plano.
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12 Para refletir 1) Se a rapidez (velocidade) de propagação da luz fosse a mesma em todos os materiais, ainda ocorreria a refração quando a luz a de um meio para outro? Justifique. _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________
7. Refração – Parte II
Objetivo Mostrar que o fenômeno de refração nos permite ver um objeto que, sem o dito fenômeno, seria impossível.
Contexto A refração da luz é responsável por muitas ilusões; uma delas é a aparência dupla que uma vareta apresenta quando imersa parcialmente em água. O peixe parece estar mais próximo da superfície e de você (figura abaixo). Devido à refração objetos submersos parecem estar ampliados. Se olharmos diretamente para baixo, na água um objeto que está submerso a 4 metros da superfície parecerá estar a apenas 3 metros.
Vemos que podemos interpretar o desvio da luz na superfície da água de pelo menos duas maneiras diferentes. Uma delas é que a luz que vem do peixe e alcança o olho do observador o faz no mínimo tempo, tomando um caminho ascendente mais curto em direção à superfície da água e um caminho correspondente mais longo através do ar. Ou podemos dizer que as ondas luminosas se www.dfte.ufrn.br/petfisica
13 dirigem para cima, em um determinado ângulo com a superfície da água, sofrem desvios quando se aceleram ao emergirem no ar, ondas essas que acabam alcançando o olho do observador. Material Pote de margarina ou copo descartável opaco (colorido) Moeda ou objeto do tamanho da moeda Água Mesa (60 a 70 cm de altura) Cola
Montagem Cole (ou simplesmente, coloque) a moeda na parte central do fundo interno do recipiente.
Procedimento Coloque o recipiente numa mesa. Fique em torno do recipiente (figura A). Observe a moeda no fundo do recipiente e depois se afaste até não mais vê-Ia. Fique nessa posição extrema da qual não se vê mais a moeda. Quando você estiver afastado, naquela posição, peça que alguém despeje lentamente, no recipiente, a água, até encher (figura B). Descreva o observado e relacione com o fenômeno de refração.
Para refletir 1) Estando em pé sobre uma barragem, se você deseja fisgar com uma lança um peixe que www.dfte.ufrn.br/petfisica
14 está à sua frente, você deveria mirar acima, abaixo ou diretamente no peixe observado? Por quê? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________
8. Lente convergente
Objetivo O objetivo deste experimento é construir um sistema onde é possível observar a trajetória de um raio sendo refratado por uma lente convergente.
Contexto Lentes são objetos translúcidos que apresentam duas superfícies refrativas. Lentes convergentes são, em geral, lentes de bordos finos mergulhadas em uma substância de índice de refração menor do que o do material de que é formado a lente. São muito utilizadas pela medicina para corrigir doenças da visão, como por exemplo, a miopia.
Idéia do Experimento Uma caixa de sapatos com uma lâmpada dentro é arranjada de modo que saia dela um feixe fino de luz. O feixe, ao atravessar uma lente convergente feita com uma régua e um pedaço de uma garrafa de refrigerante cheia de água, é refratado. Mudando-se a posição de incidência do raio sobre a lente, observa-se que eles convergem depois de ar pela lente, ou seja, tendem a se encontrar.
Material Fio elétrico Bocal de lâmpada Plug elétrico Lâmpada de 60 Watts do tipo cristal (Tentamos realizar o experimento com lâmpadas de potências maiores, mas não obtivemos resultados satisfatórios). Caixa de Sapatos Garrafa plástica de Coca-cola de 600 ml www.dfte.ufrn.br/petfisica
15 Régua Molegata da marca TRIDENT Cartolina Adesivo plástico para PVC - cola de cano (Pode ser substituído por qualquer tipo de supercola (Super-Bonder)) Água Duratex (Pode ser substituído por qualquer tipo de madeira).
Montagem Corte uma fatia da garrafa na parte mais lisa, onde fica o rótulo, com aproximadamente três centímetros de largura. Corte a fatia ao meio, transversalmente, de modo que vista de cima, tenha a forma de um semi-círculo. Cole as duas extremidades da "semi-fatia" na régua e depois as cole na madeira de 30 x 80 cm. Corte um retângulo da caixa de sapatos a partir da borda (ver figura 1). Cole um pedaço de cartolina no lugar do retângulo retirado. Faça apenas um corte na cartolina, com tesoura, de fora para dentro da caixa (ver figura 2). Monte o circuito que irá acender a lâmpada (fio, plug e bocal). Coloque a lâmpada sobre a madeira e tape-a com a caixa. A luz emitida pela caixa será reduzida a um feixe fino que a através do corte feito na cartolina colada onde foi retirado um retângulo da caixa. Coloque água dentro da caixa feita com a régua e a garrafa e direcione a ela o feixe emitido pela caixa.
Comentários Acreditamos que se o feixe emitido pela caixa de sapatos for substituído por um laser-point, também apresentará um bom resultado. www.dfte.ufrn.br/petfisica
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Para refletir 1) Se a luz se propagasse no vidro e no ar com a mesma rapidez, as lentes de vidro alterariam a direção dos raios luminosos? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 2) Em certos momentos, astronautas abandonam porções da água no interior de espaçonaves em orbita ao redor da Terra, que am a levitar, apresentando formato praticamente esférico. Olhando através dessas esferas liquidas, nota-se quase sempre a formação de imagens invertidas e menores de objetos situados do seu lado oposto. As lentes assim constituídas têm comportamento convergente ou divergente? Como se explica a forma esférica dessa porção de água? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________
9. Espelho côncavo
Objetivo Este experimento tem por objetivo construir um espelho côncavo bem como observar como os raios de luz se comportam quando são refletidos por ele.
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17 Contexto Sabe-se que quando um raio de luz incide em um espelho plano, é refletido com o mesmo ângulo com o qual incidiu em relação à normal. Porém se encurvarmos este espelho, de modo que a superfície refletora assuma uma forma côncava, isto não ocorre. Neste caso teremos um espelho côncavo que obedece a algumas propriedades. Uma delas, e a mais interessante neste caso, é que raios que incidem paralelamente ao eixo central desse espelho côncavo, são refletidos ando pelo foco do mesmo, como na figura abaixo. Foco, ou distância focal, é a metade do raio de curvatura do espelho.
F é o foco e C o centro de curvatura
Idéia do Experimento Um pente e uma lanterna são utilizados para formar feixes luminosos paralelos. Ao interceptar os feixes com um espelho côncavo, observa-se que os raios luminosos são refletidos por ele, ando por um ponto que é a metade do seu raio, ou seja, o foco.
Material Garrafa Pet de 2L de refrigerante ou qualquer outro objeto/embalagem que possa fornecer um anel com diâmetro semelhante. Embalagem dos Salgadinhos ELMA CHIPS (Utilizamos uma embalagem de BACONZITOS, mas pode ser utilizada a embalagem de qualquer outro salgadinho desta marca. Pode-se utilizar também uma embalagem de pó de café que é feita de um material muito parecido). Pente Lanterna Cola branca
Montagem Corte a garrafa transversalmente de modo a formar um anel (Figura 1). www.dfte.ufrn.br/petfisica
18 Corte o anel ao meio de forma que visto de cima seja um semi-círculo (Figura 2). Cole um pedaço da embalagem de salgadinho (com o mesmo tamanho da parte da garrafa) na face côncava do "semi-círculo", tendo cuidado para que a face mais refletora da embalagem fique voltada para a concavidade do "semi-círculo", com a finalidade de se formar um espelho côncavo. A face mais refletora da embalagem é o lado de dentro. Ilumine, com a lanterna, a superfície na qual será realizada a experiência, fazendo com que o feixe de luz gerado pela lanterna fique quase paralelo a esta superfície. Coloque o pente na frente deste fixe na posição vertical ("em pé"). A luz gerada pela lanterna foi dividida em pequenos feixes. Colocando o espelho côncavo na frente desses feixes, é possível observar que eles são refletidos em direção ao foco do espelho.
Comentário Melhores resultados serão obtidos se a lanterna permanecer o mais longe possível do pente. Utilizando os mesmos princípios também é possível construir um espelho convexo apenas colando o pedaço da embalagem do outro lado da parte retirada da garrafa.
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19 Os raios andam paralelos às sombras, que são mais facilmente visualizadas. Para refletir 1) Mariquinha, estando a 20 cm de distância de um espelho esférico, vê sua imagem ampliada três vezes. Qual o tipo desse espelho? Explique. _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 2) (UFRN- Modificada) Marcela, aluna da 4a série do ensino fundamental, ficou confusa na feira de ciências de sua escola, ao observar a imagem de um boneco em dois espelhos esféricos. Ela notou que, com o boneco colocado a uma mesma distância dos espelhos, suas imagens produzidas por esses espelhos apresentavam tamanhos diferentes, conforme mostrado nas figuras 1 e 2, reproduzidas abaixo.
Qual o tipo de cada espelho? Justifique sua resposta. _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________
3) Os espelhos esféricos convexos são utilizados em pontos estratégicos de garagens, cruzamentos de ruas estreitas, portas de elevadores e ônibus (figura ao lado). Qual a vantagem dos espelhos convexos sobre os espelhos planos, nesses casos? _____________________________________________ _____________________________________________ _____________________________________________ www.dfte.ufrn.br/petfisica
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4) A figura ao lado mostra o esquema de um fogão solar, projetado para ser utilizado no campo. Os raios solares paralelos incidem sobre um captador parabólico. Por que a a contendo alimentos é colocada onde aparece na figura? Como é chamado esse ponto, na FÍSICA? _________________________________________ _________________________________________ _________________________________________ _________________________________________ _________________________________________ _________________________________________
10. Ilusão óptica: porquinho
Objetivo O objetivo deste experimento é utilizar um dispositivo capaz de mostrar uma imagem real E tridimensional, sem anteparo.
Idéia do Experimento Dois espelhos côncavos, de muito boa qualidade, são superpostos formando uma concha fechada ou levemente espaçada, como se fossem dois pratos colocados um contra o outro. Essa concha tem um orifício circular em sua cúpula, por onde entra e sai luz. Então, se uma moeda for colocada sobre a base interna do espelho inferior, uma imagem real da moeda pode ser vista pairando sobre a abertura do espelho superior. Os dois espelhos devem ter a separação e a curvatura adequadas para que esse efeito possa ser observado.
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Material Dois espelhos côncavos (um deles com uma abertura circular) Um objeto (utilizamos um porquinho)
Montagem Coloque os dois espelhos parabólicos com as faces refletoras voltadas para dentro, uma de frente para a outra, com os eixos principais coincidentes. O espelho com a abertura circular deve ficar na parte superior. Coloque o porquinho no espelho inferior.
Fundamentação teórica Uma ilusão de óptica é a análise, decodificação e síntese de uma imagem, feita pelo cérebro, que não corresponde fielmente ao objeto a partir do qual foi formada. Se você tentar pegar o porquinho, verá que o objeto visto no ar não está ali. Como aquela imagem é formada? O objeto é colocado no vértice do espelho inferior, que coincide com o foco do espelho superior. Dessa forma, a luz difundida pelo objeto incide no espelho superior, reflete-se paralelamente ao eixo principal dos dois espelhos, incide no espelho inferior e converge para o foco do espelho inferior que está um pouco acima da abertura do espelho superior, como mostra a figura ao lado. Ver alguma coisa não é apenas uma experiência física, mas um fenômeno psicológico de percepção. O que vemos não é o objeto em si, mas o resultado das impressões que a luz proveniente desse objeto causa na retina que, por sua vez, são interpretados pelo nosso cérebro. www.dfte.ufrn.br/petfisica
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Comentários Para que o experimento seja realizado com sucesso o foco do espelho inferior deve está um pouco acima da abertura do espelho superior.
Outras ilusões de óptica:
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11. Água óptica
Objetivo O objetivo deste experimento é construir um sistema em que uma coluna de água conduza luz de forma curva, o que mostra o fenômeno da reflexão total.
Contexto Quando um raio de luz se propaga em um meio com um determinado índice de refração e tenta atravessar para outro meio com índice de refração menor do que este em que ela vêm se propagando, parte da luz será refratada e a outra parte será refletida. Se aumentarmos o ângulo de incidência do raio de luz neste novo meio, chegará a um ângulo em que toda luz será refletida. A este ângulo damos o nome de Ângulo Limite e a este fenômeno Reflexão Total.
Idéia do Experimento Um sistema é arranjado de modo tal que a água que escoa de um furo feito em uma garrafa e iluminado por uma lanterna, conduza alguns raios desta luz emitida pela lanterna durante sua trajetória. Colocando um aparato (como a mão, por exemplo) no final do feixe de água que sai da www.dfte.ufrn.br/petfisica
24 garrafa, observa-se uma luminosidade de espessura do feixe d'água. Pode-se concluir então que o feixe d'água conduz a luz até o aparato. É interessante salientar que este é o mesmo princípio utilizado pela condução de luz dentro da fibra óptica.
Material Garrafa de óleo de cozinha plástica e transparente. Tinta acrílica (Pode-se também usar qualquer tipo de tinta ou fita isolante para impedir que a luz atravesse uma das faces da garrafa de óleo). Pincel para aplicar a tinta. Lanterna. Água. Recipiente para colher a água (Pode ser utilizado uma bacia ou um recipiente grande qualquer. O experimento também pode ser realizado em uma pia, sendo que, a água que escoa da garrafa pode vir direto da torneira e ser recolhida pela pia quando sai da garrafa).
Montagem Corte a parte superior da garrafa, retirando a boca. Limpe o interior dela com detergente. Faça um furo, com aproximadamente meio centímetro de diâmetro, em uma das faces da garrafa de óleo, o mais baixo possível. Pinte com tinta a face da garrafa em que foi feito o furo. Nós usamos tinta acrílica e deixamos secar por aproximadamente um dia. Tape o furo, coloque água na garrafa e ilumine, com a lanterna, a face oposta à face que está pintada. Solte o furo e coloque a mão no feixe da água que escorre da garrafa.
Comentários Para que o experimento seja realizado com sucesso o ambiente deve permanecer o mais escuro possível.
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Para refletir 1) Uma importantíssima aplicação da reflexão total dá-se nas fibras ópticas, largamente usadas na tecnologia moderna. Como elas são utilizadas nas comunicações e na medicina? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________
12. Fábrica de arco-íris
Objetivo O objetivo deste experimento é decompor a luz, mostrando que ela é formada por componentes coloridas.
Contexto A luz normal, também chamada de luz branca, assim como a cor branca, é a formada por componentes de luz de todas as cores. Só podemos perceber que cada objeto tem sua cor porque quando luz branca incide sobre ele, este reflete a cor que o pigmento consegue emitir. Um objeto de cor vermelha, por exemplo, apesar de estar recebendo todas as cores, só reflete a componente vermelha; um objeto branco reflete todas as componentes e não absorve nenhuma; um objeto preto absorve todas as cores e não reflete nenhuma. Por isso é que quando estamos expostos ao sol, vestindo uma roupa branca, sentimos estar esquentando menos que com uma roupa escura: a roupa branca reflete todas as componentes coloridas da luz branca, enquanto a preta absorve todas. Quando a luz branca sofre refração, cada cor que a compõe é refratada com um ângulo diferente. Isto se deve a cada cor ter um índice de refração diferente, o que justifica cada cor ser www.dfte.ufrn.br/petfisica
26 refratada com um ângulo.
Idéia do Experimento Um raio de luz penetra na água e sofre refração. Cada cor refrata com um ângulo diferente e então as componentes seguem caminhos separados; após, cada raio é refletido por um espelho imerso na água e volta para a superfície; quando o raio sai da água, sofre novamente refração e cada cor já decomposta se decompõe em outras cores da mesma "família", como por exemplo, a componente vermelha da luz dá origem a vários tons de vermelho. Quando os raios saem da água, atingem um aparato onde é possível ver que a luz branca que incidiu na água é decomposta em todas as cores que a constitui. Esta decomposição é chamada de espectro, que é o mesmo visto em um arco-íris.
Material Espelho (Desses pequenos com moldura alaranjada. São encontrados em qualquer supermercado ou bazar). Assadeira (Pode ser substituída por uma bandeja funda, bacia ou tuperware). Água Cartolina (Para ser usada como aparato de observação do espectro).
Montagem Encha a assadeira com água. Coloque o espelho inclinado dentro dela. Faça com que a luz do Sol reflita no espelho no interior da assadeira e atinja um aparato de preferência de cor clara. Observe que a luz refletida é um espectro composto pelas cores do arco-íris. www.dfte.ufrn.br/petfisica
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Comentário O melhor resultado é obtido refletindo a luz do Sol em um local menos iluminado, como por exemplo, uma parede clara à sombra ou uma cartolina não iluminada diretamente pela luz solar. Pode-se realizar também este experimento refletindo a luz emitida por uma lâmpada fluorescente (luz fria) em uma folha branca.
13. Aquarela
Objetivo O objetivo deste experimento é mostrar que a luz pode ser formada de componentes coloridas. Em outras palavras, é mostrar que todas as cores podem ser obtidas pela composição das cores primárias.
Contexto Existem instrumentos ópticos, como por exemplo, o prisma, que são capazes de dividir a luz em todas as suas componentes. O contrário também acontece, ou seja, é possível, a partir de suas componentes, gerar uma cor. Na natureza existem três cores básicas, as quais podemos chamar de www.dfte.ufrn.br/petfisica
28 cores primárias, são elas: vermelho, amarelo e azul. A partir destas cores podemos gerar qualquer outra cor, inclusive o branco. Fazendo com que cada pigmento destas cores ocupem um o lugar do outro muito rapidamente, pela nossa capacidade visual, a cor que enxergaríamos seria uma mistura das duas cores. Por exemplo, se fizermos com que dois objetos de cores azul e amarelo alternem suas posições com uma freqüência maior do que a freqüência com que nossa visão poderia distinguir a alternância das posições, não conseguiríamos distinguir em determinado momento qual seria o objeto colorido que estaria ocupando aquele lugar. Então, o que conseguiríamos ver seria uma soma das ondas emitidas por cada pigmento desses dois objetos; neste caso, a soma das ondas luminosas entre azul e amarelo, é a onda que corresponde à cor verde. Para se gerar a cor branca o processo é um pouco mais complicado, segundo Isaac Newton a cor branca é uma soma de todas as cores. Só que dependendo do conjunto de cores usado, cada uma tem uma proporção de participação diferente e não muito fácil de calcular.
Idéia do Experimento Para alternar a posição das cores utilizamos um disco pintado cada parte de uma cor e o giramos utilizando uma brincadeira de criança muito comum que consiste em ar um barbante duas vezes pelo disco, enrolá-lo e depois desenrolá-lo.
Material Tampa plástica (Nós utilizamos a tampa de plástico translúcido do achocolatado NESCAU devido à sua leveza e a facilidade que se tem para furá-la, porém, pode-se utilizar qualquer tampa plástica com tamanho aproximado). Barbante de algodão (Aproximadamente 120 cm). Papel branco Canetinha hidrocor (Pode ser substituída por lápis de cor, giz de cera, tinta ou até mesmo recortes de papel colorido). Cola
Montagem Retire as bordas da tampa que será utilizada de maneira a formar um disco. Recorte um círculo de papel do tamanho do disco e divida-o em seis partes. Pinte cada parte utilizando as cores azul e vermelho alternadamente. Faça dois furos na mesma linha, não muito próximos e eqüidistantes do centro do disco. www.dfte.ufrn.br/petfisica
29 e o barbante pelos dois furos e ate as duas pontas. Coloque o disco aproximadamente no centro do barbante. Enrole o barbante fazendo movimentos circulares com o disco. Estique o barbante e o disco começará a rodar, afrouxe o barbante para que, com o movimento do disco, ele enrole novamente. Começe, então, um movimento de vai e vem com o barbante. Notar-se-á que o movimento das cores vermelha e azul resultará na cor roxa.
Comentários Este experimento pode ser realizado utilizando a várias combinações de cores, como azul e amarelo, que resulta na cor verde; vermelho e amarelo, que resulta em alaranjado etc. Sugerimos até, que se coloque uma combinação de cores de um lado do disco e outra do outro.
14. Difração de fio de cabelo
Objetivo O objetivo deste experimento é mostrar que a luz pode ser formada de componentes coloridas. Em outras palavras, é mostrar que todas as cores podem ser obtidas pela composição das cores primárias.
Contexto Nas experiências anteriores vimos que a luz pode ser desviada de sua trajetória retilínea de propagação pela reflexão e pela refração, e agora vemos outra maneira pela qual isso pode ser obtido. Qualquer desvio sofrido pela luz por outros meios que não reflexão e refração é chamado de www.dfte.ufrn.br/petfisica
30 difração. Quando a luz a por uma abertura que é grande, comparada ao seu comprimento de onda, ela projeta uma sombra como a que é mostrada na figura 1. Observamos uma fronteira bem definida entre a área iluminada e a área escura da sombra. Mas se a luz atravessa uma fenda estreita entre a área iluminada e a área escura da sombra. Mas se a luz atravessa uma fenda estreita feita num pedaço de cartolina com uma fina lamina de barbear, observamos que a luz difrata (figura 2).
figura 1
figura 2
Quando a luz a através de uma fenda estreita (de largura comparável ao comprimento de onda da luz), o feixe de luz não só se alarga alem da sombra geométrica da fenda, como também uma serie de faixas claras e escuras, como mostra a figura 3.
A figura 4 mostra o gráfico da distribuição de intensidade da luz difratada através de uma fenda única.
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figura 4
Idéia do Experimento Como a difração por obstáculo de espessura d (fio de cabelo) não apresenta diferentes leis ou equações no que se refere à difração de uma única fenda de espessura similar (NUSSENZVEIG, 1998), incidimos um feixe de luz com um apontador laser sobre um fio de cabelo, posicionado numa abertura de um pedaço de papelão e observaremos a figura de difração formada no anteparo com seus máximos e mínimos de intensidade.
Material Fio de cabelo Apontado Laser, com comprimento de onda conhecido (pode ser adquirido em lojas de brinquedo) Anteparo Trena Régua e para fio de cabelo Fita adesiva
Montagem Coloque o fio de cabelo no e apropriado usando uma fita adesiva. www.dfte.ufrn.br/petfisica
32 Incida o apontador Laser sobre o fio de cabelo e projete a figura no anteparo, conforme mostra a figura 5.
figura 5 Determinação do diâmetro do fio de cabelo Ligando o apontador, observa-se facilmente sobre o anteparo uma figura de difração semelhante a da figura 3. Mede-se, então, com auxilio de uma régua, a distância y entre dois máximos (primários) consecutivos (fig. 6). Com isso, reduz o erro na medida, pois, o que é necessário, na realidade, é a distancia entre o máximo central e o máximo que se deseja medir (primário).
figura 6 É previsto que os máximos ocorrerão sob ângulos θ dados, teoricamente, pela expressão: d=
λ senθ
(para o primeiro máximo).
Mas,
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senθ =
y/2 D 2 + ( y / 2)
2
,
Então:
D 2 + ( y / 2) 2 d = λ . y/2
Comentários Para que o experimento seja realizado o ambiente deve permanecer o mais escuro possível.
Para refletir 1) O que é necessário para uma onda sofrer difração? As ondas sonoras (som) podem sofrer difração? Explique. _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________
2) Na figura abaixo, um muro muito espesso separa duas pessoas em uma região plana, sem outros obstáculos. As pessoas não se vêem, mas, apesar do muro, se ouvem claramente. Por que elas podem se ouvir e não podem ser ver? Explique sua resposta usando conceitos da Física. _______________________________________________ _______________________________________________ _______________________________________________ _______________________________________________ _______________________________________________
Ampliada por Edson José da C. Santos
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