Interferância, Difração e Polarização da Luz - relatório 3

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE – UFCG
CENTRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA – CCT
UNIDADE ACADÊMICA DE FÍSICA
DISCIPLINA: FÍSICA EXPERIMENTAL II – T 07
PROFESSOR: LINCOLN ARAÚJO
JULIANA DOS SANTOS ARAUJO – 120110998
ENGENHARIA DE MATERIAIS
INTERFERÊNCIA, DIFRAÇÃO E POLARIZAÇÃO DA LUZ
CAMPINA GRANDE – PB
20 DE DEZEMBRO DE 2021
INTRODUÇÃO
A interferência pode intensificar certos comprimentos de onda, ou cores, da luz
refletida, enquanto suprime outros comprimentos de onda. A onda resultante da
interferência entre duas ondas de luz depende do comprimento de onda, da
amplitude e da diferença de percurso “D” entre as ondas primárias. No caso de
duas ondas primárias de mesmo comprimento de onda (l), mas com uma
diferença de percurso n1, teremos:
● Interferência construtiva: quando, a onda resultante apresenta uma amplitude
(A) maior do que a das ondas primárias. Isto ocorrerá quando as ondas em
interferência estão em fase, ou seja, "n" é um número inteiro.
● Interferência destrutiva: ou seja, a onda resultante apresenta uma amplitude
(A) menor do que as duas ondas primárias. Isto ocorre quando as ondas em
interferência estão fora de fase, ou seja, "n" é um número fracionário.
Já a difração é a propriedade que as ondas têm de contornar obstáculos ou
passar por um orifício quando são parcialmente interrompidas por ele, por
exemplo, com as ondas sonoras e com os raios de luz, e que pode ser
entendido como sendo o desvio da trajetória retilínea da luz após ela passar
pela aresta de um objeto.
As luzes emitidas por fontes luminosas, por exemplo, os raios de luzes solares
têm comportamento formado por ondas eletromagnéticas que vibram em
diversas direções durante a emissão, incidência e reflexão. Para cada onda do
raio que vibra em uma direção sempre há outro em um plano perpendicular à
onda luminosa. Essa luz com movimento “perturbado” é chamada de luz
natural ou apenas de luz não polarizada. As ondas polarizadas podem ser
produzidas a partir de ondas não polarizadas através de fenômenos como:
absorção, espalhamento, reflexão e birrefringência. Sendo assim a Polarização
é um fenômeno no qual apenas o feixe de luz que se encontram no mesmo
plano conseguem atravessar alguns materiais.
PREPARAÇÃO DE DIFRAÇÃO - ÓPTICA FÍSICA
1. A natureza da luz sempre foi um dos temas que sempre chamaram a
atenção dos grandes cientistas da humanidade. Desde a Antiguidade (300
a.C.) com Euclides até Einstein e Planck, no séc. XX. Hoje em dia, duas
teorias que explicam a natureza da luz são aceitas: a teoria corpuscular e
a teoria ondulatória. Comente este conceito do comportamento da Luz,
dualidade onda-partícula.
A natureza da luz diz respeito a sua formação. Atualmente, entende-se que a
natureza da luz é dual, ou seja: ora ela comporta-se como uma onda, ora como
partícula. Esse comportamento, ficou conhecido como “dualidade onda
partícula”, também é observado em outras partículas quânticas, como os
prótons, nêutrons e elétrons.
2. O que é Difração da Luz? Comente dando exemplo.
A difração da luz é a propriedade que as ondas têm de contornar obstáculos ou
passar por um orifício quando são parcialmente interrompidas por ele, por
exemplo, com as ondas sonoras e com os raios de luz, e que pode ser
entendido como sendo o desvio da trajetória retilínea da luz após ela passar
pela aresta de um objeto.
3. O que é Polarização da Luz? Comente dando exemplo.
A polarização da luz ocorre quando a luz natural, que antes se propagava em
todos os planos, passa a se propagar em um único plano. As ondas produzidas
pelas emissoras de rádio e TV são ondas polarizadas, uma vez que
apresentam, em uma determinada direção, um campo elétrico variável no
espaço e no tempo.
4.Explique como procedemos experimentalmente, para determinar o
comprimento de uma onda da Luz (onda eletromagnética).
Para determinação experimental vai ser montado o equipamento, como no
experimento de determinação do comprimento de onda da luz, sendo ajustada
inicialmente a rede de difração a fim de formar uma nítida no anteparo, em
seguida é medido e anotado a distância da fonte de luz até a rede de difração.
Depois é preciso medir a distância da cor até o centro com uma régua
milimetrada e anotar a distância para as cores em questão. Para concluir
deve-se verificar qual foi a rede de difração usada, pois cada uma vai dar um
valor para a variável “D” diferente, após isso padroniza as unidades de medidas
de “D” para nanômetro e por fim substitui na equação abaixo os valores
encontrando assim o comprimento da onda.
5.Explique o que é Polarização por reflexão. Comente a relação desse
conceito com a aplicação de fibra óptica.
A luz incidente em uma superfície plana e polida sofrerá em parte reflexão, que
será polarizado perpendicularmente ao plano de incidência, enquanto que a
porção refratada será polarizada paralelamente ao plano de incidência. O grau
de polarização será função de vários fatores, como qualidade e índice de
refração da superfície refletora e principalmente, do ângulo de incidência do
feixe de luz, segundo Brewster, atingirá a máxima polarização quando os raios
incidentes e refratados forem complementares, ou seja, quando: nnn n = nnn n.
As fibras óticas são formadas por um núcleo transparente de alto índice de
refração revestido por camadas plásticas transparentes cujos índices de
refração são mais baixos que os do núcleo, sendo assim, permite a reflexão
interna total da luz.
3. MATERIAIS E PROCEDIMENTOS
3.1 Material utilizado
● Fonte de luz branca 12V – 21W, chave liga-desliga, alimentação bivolt
e sistema de posicionamento do filamento; base metálica 8 x 70 x 3cm
com duas mantas magnéticas e escala lateral de 700mm;
● Lente de vidro convergente biconvexa com Ø = 50mm, DF = 50mm, em
moldura plástica com fixação magnética; lente de vidro biconvexa Ø =
50mm, DF = 100mm, em moldura plástica com fixação magnética;
● Diafragma de uma fenda;
● Cinco cavaleiros metálicos;
● Uma rede de difração 500 fendas/mm em moldura plástica com
fixação magnética;
● Uma trena de 2m; anteparo para projeção com fixador magnético e
régua milimetrada de ±150mm.
● Dois anteparo para projeção com fixador magnético;
● Três polaroides em moldura plástica com fixação magnética.
● Um disco giratório Ø = 23cm com escala angular e subdivisões de 1°;
● Um suporte para disco giratório.
3.2 Procedimentos experimentais:
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL - 12
● Montar o equipamento conforme foto abaixo (Fig.4-13).
● Colocar na frente da fonte luminosa e à 4cm, uma lente convergente
de distância focal f = 5cm. Essa lente é utilizada para iluminar a fenda;
● Colocar na frente da lente o diafragma com uma fenda;
● Utilizar uma lente convergente de distância focal f = 10cm para
projetar a fenda no anteparo;
● Ajustar a posição da lente para que a fenda projetada fique bem nítida;
● Colocar a rede de difração na frente da lente e ajustar para que o
espectro fique bem nítido;
● Ajustar a posição da rede de difração para que fique a 14cm (a =
0,140m) do anteparo de projeção;
● Medir a distância do centro de cada cor até o centro da fenda
projetada, completando a tabela;
● Medir as distâncias X e a para a radiação vermelha: X = 4,7cm e a = 14
cm.
● Calcular a constante da rede de difração que tem 500 linhas / mm: D
(1 / 500 linhas / mm) = D = 2 x 103 nm (nanômetro 10-9 m).
● Calcular o comprimento de onda da radiação vermelha: = 636,52nm
● Anotar os valores acima na Tabela 4-7 e calcular o comprimento de onda
para as outras cores:
● Qual a radiação que tem maior comprimento de onda? Vermelho
● Qual a radiação que tem maior frequência? A que tem menor
comprimento de onda, que no caso é o violeta.
● Qual radiação sofre interferência construtiva mais afastada da raia
central? Vermelho.
● Tabela de cores e comprimentos de onda:
● Os resultados encontrados foram os esperados, comparando com a
faixa da Tabela acima? Comente.
Sim, ao comparar a tabela que achamos com a que é dada na apostila, é
possível perceber que os resultados encontradosforam os esperados.
Polarização da Luz – Experiência 13
● Montar o equipamento conforme foto abaixo (Fig.4-14).
● Colocar sobre a base metálica um cavaleiro metálico com lente convergente
de distância focal 12cm e fixar no cavaleiro o diafragma com uma fenda;
● Colocar na extremidade da base metálica um anteparo para projeção e ligar
a fonte de luz;
● Colocar sobre a base metálica, um polaroide fixo no cavaleiro e a 10cm da
lente;
● Ajustar a posição da lente para que a fenda projetada fique bem nítida;
● Observar a projeção luminosa e colocar sobre a base metálica o segundo
polaroide e a 10cm do primeiro polaróide;
● A projeção luminosa sobre o anteparo de projeção (desapareceu/diminuiu/ou
não se alterou)?
Em condições ideais desaparece, quando um polaroide ficar
perpendicular ao outro, mas inicialmente a projeção diminui, pois os dois
polarizadores estão na mesma posição, portanto só vai passar
determinadas ondas de luz por eles;
● Girar o segundo polaróide sobre o cavaleiro num ângulo de 90° em relação
ao primeiro polaróide e observar a projeção;
Ao girar o segundo polaróide sobre o cavaleiro num ângulo de 90° em
relação ao primeiro polaróide, observa-se que a projeção desaparece.
● Repetir os procedimentos acima e comentar sobre a polarização da luz.
As fontes luminosas geralmente emitem luzes formadas por ondas
eletromagnéticas que vibram em várias direções. São as luzes naturais,
ou não polarizadas. Na natureza existem substâncias que, ao serem
atravessadas pelos feixes de luz, deixam passar apenas uma parte da
onda luminosa. Desse acontecimento ocorre um fenômeno chamado de
polarização da luz, onde a luz natural que antes se propagava em todos
os planos, agora se propaga em um único plano. Os polarizadores
funcionam como uma fenda permitindo que a luz passe somente em um
plano. Caso dois polarizadores estejam alinhados na mesma direção, a
luz passa pelo primeiro, mas no segundo não se vê nada, pois os raios
que atravessam o primeiro polarizador são filtrados no segundo.
Polarização da Luz por Reflexão – Experiência 14
● Montar o equipamento conforme foto abaixo (Fig.4-15).
● Colocar na frente da fonte de luz um cavaleiro metálico com uma lente
convergente de distância focal 12cm e o diafragma com uma fenda;
● Ligar a fonte de luz e ajustar o raio luminoso bem no centro do transferidor;
● Colocar o semicírculo no disco ótico, conforme foto e ajustá-lo no disco óptico
de tal modo que o ângulo de incidência seja igual à 0°, o ângulo de refração
também 0°;
● Fixar em outro cavaleiro metálico, um polaróide e em outro cavaleiro o
anteparo de projeção;
● Girar o disco ótico 20° e observar o raio refletido, colocar na mesma direção
do raio refletido o polaroide e projetar o feixe refletido no anteparo a 10cm do
polaroide;
● Girar o polaroide de 90° e observar a projeção do feixe luminoso e retornar o
polaroide para a mesma posição;
● Girar o disco ótico para 40° e observar o raio refletido, reposicionar, o
conjunto polaroide e anteparo de projeção;
● Girar o polaroide de 90° e observar a projeção do feixe luminoso, e retornar o
polaroide para a mesma posição;
● Repetir esses procedimentos para os ângulos entre 50° e 60°, encontrar um
ângulo de reflexão de tal modo que girando o polaroide a projeção
desapareça;
● Medir o ângulo α de incidência que tem a luz polarizada: θB = 55°
(simulado)
● Medir o ângulo entre o raio refletido e o raio refratado. A soma entre θB e θr
igual a 90°.
● Qual a direção de polarização? Comente sua resposta.
Como o experimento não foi feito presencialmente só é possível supor
que a direção de polarização é vertical.
● Encontrar a tangente do ângulo θB: tg θB= 1428.
● Encontrar esse valor com o índice de refração do material (acrílico)
encontrado
no experimento anterior: n = 1,50.
● Admitindo uma tolerância de erro 5%, podemos considerar que a tangente do
ângulo de Brewster θB é igual ao índice de refração do material? Comente a
resposta.
Sim, pois o erro foi menor que 5, portanto a tangente do ângulo de
Brewster é igual ao índice de refração do material, já que o valor de n1 (o
valor do índice de refração do ar), assume valor unitário.
4.CRÍTICAS E SUGESTÕES.
Mediante o material requisitado e disponibilizado, assim como a
explicação do conteúdo. Não possuo nenhuma crítica e nem sugestão a
registrar.
5.CONCLUSÕES
No experimento 12 foi possível compreender o fenômeno físico conhecido
como interferência e ressaltar que a diferença de fase entre duas ondas
luminosas pode mudar se as ondas atravessarem materiais com diferentes
índices de refração e, facilitando o entendimento sobre esse fenômeno físico. O
espectro de luz visível pode assumir diversas cores: vermelho, laranja,
amarelo, verde, azul e violeta, em função do seu comprimento de onda. Quanto
maior o comprimento de onda, menor a frequência, logo, a radiação de maior
comprimento de onda (vermelha) possui menor frequência e a radiação de
menor comprimento de onda (violeta) possui maior frequência.
No experimento 13 é possível concluir que há vários materiais que ao serem
atingidos pelos feixes de luz deixam passar apenas uma parte da onda
luminosa, esse acontecimento é conhecido como polarização da luz. Após
girarmos os parabolóides com uma diferença de 90° é possível perceber que o
feixe luminoso desaparecia, verificando que a equação da Intensidade do Raio
Luminoso é verossímil e entender o fenômeno conhecido por polarização.
Por fim, no experimento 14 foi possível entender a polarização da luz por
reflexão e mostrar que a relação existente entre a tangente do ângulo de
Brewster B e o índice de refração de um material, sendo esta uma relação
comprovada experimentalmente.