Relatorio 2 de fisica experimental II Refração

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE - UFCG
CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA - CCT
UNIDADE ACADÊMICA DE FÍSICA - UAF
DISCIPLINA: LABORATÓRIO DE ÓPTICA ELETRICIDADE E MAGNETISMO
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
2º RELATÓRIO DE LABORATÓRIO DE ÓPTICA ELETRICIDADE E
MAGNETISMO
REFRAÇÃO DA LUZ
Professor: Pedro Luiz do Nascimento
Turma: 06
Aluno: Luís Antônio Acciolly da Silva
Matrícula: 121110206
CAMPINA GRANDE - PARAÍBA
OUTUBRO - 2022
SUMÁRIO
1- INTRODUÇÃO 5
2- MATERIAIS E MÉTODOS 6
2.1 MATERIAIS 6
2.2 MÉTODOS 6
3- CONCLUSÕES 14
REFERÊNCIAS 15
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Refração da luz……………………………...... .......................................................5
Figura 2 - Montagem experimental primeiro experimento….………………………………...6
Figura 3 - Montagem experimental segundo experimento........................................................8
Figura 4 - Montagem experimental terceiro experimento………………………......…...........9
Figura 5 - Lente convergente….………….……………………………………………..…...10
Figura 6 - Montagem experimental quarto experimento.........................................................10
Figura 7 - Raio em lente divergente………......…...................................................................11
Figura 8 - Montagem experimental quinto experimento…………….………….……………11
Figura 9 - Montagem sexto experimento.................................................................................12
Figura 10 - Procedimento no dioptro………………………………………………………...13
LISTA DE TABELAS
Tabela I – A ………………………………..………................................................................7
Tabela II – A ………………………………..………..............................................................8
Tabela III – A ………………………………..………...........................................................12
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1- INTRODUÇÃO
Este relatório procura estudar a óptica geométrica, esta que é a área da física
voltada aos fenômenos de propagação da luz, através de experimentos feitos em
laboratório.
A refração da luz é denominada a mudança de direção num raio de luz
transmitido. Esse desvio no raio, que atravessa as superfícies de separação dos meios, é
devido ao índice de refração dos meios serem distintos, deste modo a luz possui
diferentes velocidades de propagação entre eles.
Na figura 1 é possível observar a mudança do raio de luz passando entre os
meios A e B.
Figura 1 - Refração da luz.
Nos dois primeiros experimentos é proposto a determinação do índice de
refração de um material. No terceiro e quarto procedimento é observado a refração da
luz em uma lente convergente e divergente respectivamente. No quinto experimento é
proposto medir a distância focal de uma lente convergente. E no sexto e último
experimento é utilizado um dióptro plano.
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2- MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 MATERIAIS
Os materiais necessários para os experimentos, 4 cavaleiros metálicos, base
metálica 8 x 70 x 3cm com duas mantas magnéticas e escala lateral de 700mm, 1 disco
giratório de 23cm com escala angular e subdivisões de 1°, 1 perfil em acrílico
bicôncavo, lente de vidro convergente plano-convexa com Ø60mm, DF 120mm,
diafragma com uma fenda e cinco fendas, lente de vidro convergente biconvexa com
Ø50mm, DF 50mm, lente de vidro plano côncava Ø50mm, DF 100mm, fonte de luz
branca de 12V - 21W,Letra F vazada em moldura plástica com fixação magnética, trena
de 2m, anteparo para projeção com fixador magnético, uma superfície refletora
conjugada contendo uma parte plana, outra convexa e por último côncava, uma régua
milimetrada com 50cm, perfil em acrílico retangular (dióptro plano) e um suporte para
disco giratório.
2.2 MÉTODOS
Iniciando o primeiro experimento, foi necessário a montagem mostrada na figura
2.
Figura 2 - Montagem experimental primeiro experimento.
Após montado, no cavaleiro metálico foi colocado o diafragma com uma fenda e
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do outro lado uma lente convergente de distância focal 12 cm. É necessário ajustar o
raio luminoso da fonte de luz para que esta fique bem no centro do transferidor.
Coloca-se o semicírculo no disco óptico, ajustando-o de tal modo que o ângulo de
incidência e refração seja igual a 0°.
Dessa forma, é proposto girar o disco variando o ângulo de incidência de 10° em
10° e anotá-los na tabela 1A.
A seguir é visto a Tabela I - A com seus respectivos valores observados e
preenchidos.
Tabela I - A
Ângulo de
Incidência(i)
Sin(i) Ângulo de
Refração(r)
Sin(r) Sin(i) / Sin(r)
10° 0,17 6,5° 0,11 1,54
20° 0,34 14° 0,24 1,42
30° 0,5 20° 0,34 1,47
40° 0,64 26° 0,44 1,45
50° 0,77 31,5° 0,52 1,48
Como é visto na tabela I-A, a razão do ângulo de incidência com o ângulo
refratado é de aproximadamente 1,47, sendo esta uma constante desconsiderando
possíveis erros experimentais.
Segundo as leis da Refração de Snell - Descartes o raio refratado está no plano
de incidência. Para dois meios dados, o seno do ângulo de incidência e o seno do ângulo
de refração estão numa razão constante.
ou𝑛 = 𝑠𝑒𝑛(𝑖)𝑠𝑒𝑛(𝑟) 𝑛1 * 𝑠𝑒𝑛(𝑖) = 𝑛2 * 𝑠𝑒𝑛(𝑟)
A constante n é o índice de refração do segundo meio (onde está o raio
refratado) para o primeiro (onde está o raio incidente).
A grandeza que expressa a velocidade que a luz possui num determinado meio
de transmissão é definido por:
, onde c é a velocidade da luz no vácuo e v é a velocidade da luz no meio𝑛 = 𝑐𝑣
em questão.
O índice de refração absoluto do vácuo é unitário: n = 1, pois v = c. Para o ar
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tem-se também, como boa aproximação: nar = 1.
Num meio material, a luz violeta é a componente que mais se desvia em relação
à normal, e a luz vermelha é a componente que menos se desvia. Assim a luz vermelha
é a de maior velocidade e a de menor velocidade é a luz violeta.
Quando um raio de luz muda de um meio que tem índice de refração grande para
um meio que tem índice de refração pequeno a direção da onda transmitida afasta-se da
normal (perpendicular). À medida que aumentamos o ângulo de incidência i, o ângulo
do raio refratado tende a 90°. Quando isso acontece, o ângulo de incidência recebe o
nome de ângulo crítico. A equação que permite calcular o valor do ângulo crítico é dada
por:
θ = 𝑎𝑟𝑐 𝑠𝑒𝑛𝑜( 𝑛2𝑛1 ), 𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑛1 > 𝑛2
Uma incidência com ângulo maior do que este sofre o fenômeno da reflexão
interna total. Esse princípio de reflexão interna total é utilizado nas fibras ópticas.
É observada na figura 3 a montagem necessária para o segundo experimento.
Figura 3 - Montagem experimental segundo experimento.
Coloca-se o semicírculo no disco óptico, conforme a foto, e girar o disco óptico
variando o ângulo de incidência de 5° em 5°. Anotar os valores dos ângulos de refração
na Tabela II - A.
Tabela II - A
Ângulo de
Incidência(i)
Sin(i) Ângulo de
Refração(r)
Sin(r) Sin(i) / Sin(r)
5° 0,1 7,5° 0,13 0,77
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10° 0,17 15° 0,26 0,65
15° 0,26 22,5° 0,38 0,68
20° 0,34 30° 0,5 0,68
25° 0,42 39° 0,63 0,67
30° 0,5 48° 0,74 0,68
35° 0,57 58° 0,85 0,67
40° 0,64 73,5° 0,96 0,67
45° 0,71 reflexão
interna total
Dessa forma, foi possível observar que com 45º ocorre a reflexão interna total do
acrílico observado, sendo este o ângulo limite. Para ângulos acima de 45° não há
refração, apenas reflexão.
No terceiro experimento é necessário a seguinte montagem visto na figura 4.
Figura 4 - Montagem experimental terceiro experimento.
Substitui-se o diafragma de uma fenda pelo de 5. Posicionar a lente convergente
para correção do feixe, a fim de ficarem paralelos entre si. No disco ótico colocar o
perfil de acrílico biconvexo. Ajusta-se o feixe luminoso paralelamente ao eixo principal
da lente convergente.
Na figura 5 é visto a obtenção dos feixes luminosos da lente convergente.
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Figura 5 - Lente convergente.
Através deste experimento foi possível determinar que o foco dessa lente
convergente é de aproximadamente 11 cm.
Na lente convergente o foco é real. As propriedades da lente convergente falam
que um raio que incide paralelamente ao eixo, refrata-se sobre o foco e um raioque
passa pelo foco, refrata-se paralelamente ao eixo.
No quarto experimento a montagem experimental é vista a seguir.
Figura 6 - Montagem experimental quarto experimento.
A partir da montagem experimental anterior, neste experimento coloca-se o
perfil de acrílico bicôncavo.
Na figura 7 é visto os raios luminosos incidente na lente divergente.
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Figura 7 - Raio em lente divergente.
Através deste experimento foi possível determinar que o foco dessa lente
divergente é de aproximadamente 5,5cm.
Em lentes divergentes o foco é virtual, pois se trata do prolongamento dos raios
luminosos. Um raio luminoso que incide paralelamente ao eixo, refrata-se na direção do
foco e um raio que incide na direção do foco, refrata-se paralelamente ao eixo.
No quinto experimento a montagem experimental é vista a seguir na figura 8.
Figura 8 - Montagem experimental quinto experimento.
Na frente da fonte luminosa a 4cm uma lente convergente de distância focal
5cm. Essa lente é utilizada para iluminar o objeto (letra F). A letra F deve ser
posicionada na frente da lente de forma a ficar bem iluminada. Utiliza-se uma lente
convergente de distância focal 10cm para projetar o objeto no anteparo. A lente de
10cm de foco deve ser posicionada à 16cm da letra F. Ajusta-se a posição do anteparo
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para que a imagem projetada fique bem nítida.
Deve-se medir a distância entre a imagem e a lente, o comprimento de F e o
comprimento da imagem.
Para calcular a distância focal da lente utiliza-se a equação de Gauss:
1
𝑓 =
1
𝐷𝑜 +
1
𝐷𝑖
Ao longo do experimento, a distância do objeto é levada em direção ao anteparo
em 2 cm até atingir 26cm. Deste modo, na Tabela III - A é preenchida.
Tabela III - A
N Do(cm) Di(cm) F(cm) I(cm) O(cm) Di/Do I/O
1 16 24 9,6 1,6 1 1,5 1,6
2 18 22 9,9 1,5 1 1,22 1,5
3 20 20 10 1,3 1 1 1,3
4 22 18 9,8 1 1 0,8 1
5 24 16 9,6 0,8 1 0,67 0,8
6 26 14 9,1 0,7 1 0,54 0,7
Observando a Tabela III - A o valor médio da distância focal é de
aproximadamente 9,6 cm. A razão Di/Do e I/O é aproximadamente igual. A imagem
projetada no anteparo é real e invertida.
Na figura 9 é visto a montagem do último experimento.
Figura 9 - Montagem sexto experimento.
Neste último experimento, é proposto colocar em um lado do cavaleiro metálico
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o diafragma com uma fenda e do outro lado uma lente convergente de distância focal 12
cm. Ajustar a posição do conjunto para que o filamento da lâmpada fique no foco da
lente. Também deve ajustar o dioptro plano de tal modo que o ângulo de incidência seja
igual a 0°, e o ângulo de refração seja também 0°.
Entre o dioptro e o disco coloca-se uma folha de papel em branco, tentando
manter o diptro o mais alinhado possível. No papel é necessário desenhar o contorno do
diptro e as trajetórias dos feixes incidente e refratado. Retirando o papel, deve-se
completar o desenho com a trajetória do feixe no interior do dioptro.
Com um transferidor é preciso medir os 4 ângulos, e com uma régua medir a
espessura t do dioptro e o desvio lateral x.
Para o cálculo do desvio lateral x deve-se utilizar:
𝑥 = 𝑡*𝑠𝑒𝑛(θ1−θ2)𝑐𝑜𝑠θ2
Na figura 10 é visto o procedimento no dioptro.
Figura 10 - Procedimento no dioptro.
Foi observado que t possuía 2,5cm e e .θ1 = 30° θ2 = 20°
x = 2,5*𝑠𝑒𝑛(30°−20°)𝑐𝑜𝑠20° = 0, 46𝑐𝑚
n = = 1,46𝑠𝑒𝑛30°𝑠𝑒𝑛20°
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3- CONCLUSÕES
Portanto, para a realização deste estudo foi necessário a leitura da apostila
disponibilizada, a utilização de fórmulas de medição, a fim de tornar os dados obtidos
os mais fiéis possíveis e dessa forma podermos determinar com precisão as
propriedades da refração da luz por meio de experimentos realizados em laboratório,
assim sendo conciliado a teoria com a prática.
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REFERÊNCIAS
Apostila de Física Experimental II, Teoria e Prática, PEDRO L. Nascimento,
LAERSON D. Silva,WILSON F. Curi e Marcos J. A. Gama, edição desde 1998 até a
presente data, guia de Experimentos para a disciplina Física Laboratório de Óptica
Eletricidade e Magnetismo., edição desde 1998 até a presente data, PEDRO Luiz do
Nascimento professor da UAF/UFCG) e Participação de, ANTHONY Josean Cordeiro
Caldas (Técnico) e WALBERT W. Negreiros(Monitor).
Figura 1 - Apostila de Laboratório de Óptica Eletricidade e Magnetismo Física
Experimental II. Universidade Federal de Campina Grande. Centro de Ciências e
Tecnologia. Unidade Acadêmica de Física, 2019.1.
Figura 2 - Apostila de Laboratório de Óptica Eletricidade e Magnetismo Física
Experimental II. Universidade Federal de Campina Grande. Centro de Ciências e
Tecnologia. Unidade Acadêmica de Física, 2019.1.
Figura 3 - Apostila de Laboratório de Óptica Eletricidade e Magnetismo Física
Experimental II. Universidade Federal de Campina Grande. Centro de Ciências e
Tecnologia. Unidade Acadêmica de Física, 2019.1.
Figura 4 - Apostila de Laboratório de Óptica Eletricidade e Magnetismo Física
Experimental II. Universidade Federal de Campina Grande. Centro de Ciências e
Tecnologia. Unidade Acadêmica de Física, 2019.1.
Figura 5 - Autoria própria.
Figura 6 - Apostila de Laboratório de Óptica Eletricidade e Magnetismo Física
Experimental II. Universidade Federal de Campina Grande. Centro de Ciências e
Tecnologia. Unidade Acadêmica de Física, 2019.1.
Figura 7 - Autoria própria.
Figura 8 - Apostila de Laboratório de Óptica Eletricidade e Magnetismo Física
Experimental II. Universidade Federal de Campina Grande. Centro de Ciências e
Tecnologia. Unidade Acadêmica de Física, 2019.1.
Figura 9 - Apostila de Laboratório de Óptica Eletricidade e Magnetismo Física
Experimental II. Universidade Federal de Campina Grande. Centro de Ciências e
Tecnologia. Unidade Acadêmica de Física, 2019.1.
Figura 10 - Autoria própria.