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Medida da velocidade da luz
Roteiro
A primeira medida que confirmou que a luz tinha uma velocidade finita foi
realizada pelo dinamarquês Olaf Römer em 1676, um feito espetacular na época.
Ele mediu a velocidade da luz em 2,3 x 108 m/s analisando o atraso no período de
uma lua de Júpiter (Io) quando Terra e Júpiter estavam respectivamente mais
próximos e mais distantes entre si. Esta experiência que pode hoje ser realizada por
qualquer astrônomo amador mostra também que a luz viaja igualmente com a
mesma velocidade independentemente do comprimento de onda. 
Uma série de experiências cada vez mais refinadas foram idealizadas por
muitos cientistas desde Römer até hoje. Citamos a experiência da roda dentada de
Fizeau em 1849, a do espelho rotativo de Foucault em 1850 e uma série de
experiências de Michelson a partir de 1879 como as mais representativas. A
incerteza na determinação da velocidade da luz caiu a ± 20 cm/s! Veja a tabela
abaixo. 
Ano Pesquisador País Método Experimental Velocidade escalar
108 m/s
Incerteza
Experimental m/s
1600 Galileu Itália Lanternas e obturadores "rápida" ?
1676 Römer França Luas de Júpter 2,14 ?
1729 Bradley Inglaterra Aberração da luz 3,08 ?
1849 Fizeau França Roda dentada 3,14 ?
1879 Michelson EUA Espelho giratório 2,99910 75000
 Michelson EUA Espelho giratório 2,99798 22000
1950 Essen Inglaterra Cavidade de microondas 2,99798 1000
1958 Froome Inglaterra Interferômetro 2,997925 100
1972 Evenson et al. EUA Laser 2,997924574 1,1
1974 Blaney et al. Inglaterra Laser 2,997924590 0,6
1976 Woods et al. Inglaterra Laser 2,997924588 0,2
Em 20 de Outubro de 1983 o Comitê Internacional de Pesos e Medidas
redefiniu o metro usando a velocidade da luz em 299 792 458 m/s, tendo em vista a
precisão com a qual se mede hoje tanto a velocidade quanto a freqüência da luz.
Assim, o metro é hoje a distância percorrida pela luz no vácuo no intervalo de
tempo de 1/ 299792458 s. 
Uma outra observação surpreendente que se originou de medidas de
velocidade da luz é a constatação que ela é a mesma independentemente do
sistema de referência inercial no qual nos encontramos (são os resultados da
experiência de Michelson e Morley). O fato intrigou os cientistas da época e não
conseguiu ser explicado até que Einstein aceitou o fato experimental como real e
repensou o arcabouço teórico de espaço e tempo criando o que se chama hoje de
teoria da relatividade restrita. 
1. Objetivos
Utilizar uma versão eletrônica do método de Fizeau e realizar a medida da
velocidade da luz. 
2. Metodologia
Nesta experiência temos um laser de semicondutor (< 3mW) cuja intensidade
luminosa pode ser modulada externamente por meio de um gerador de sinais. Os
pulsos do laser incidem num divisor de feixe. A parte refletida incide sobre um
fotodetetor, enquanto que o feixe transmitido percorre uma certa distância até
encontrar um espelho totalmente refletor. Este segundo feixe refletido é focalizado
por uma lente convergente e incide em um outro detetor localizado bem ao lado do
primeiro. O atraso temporal entre os sinais dos dois detetores é medido por um
osciloscópio digital. 
Aviso importante: ao lidar com uma fonte de luz intensa como o laser,
alguns cuidados devem ser tomados. Um manuseamento não seguro pode levar a
danos quase sempre irreversíveis à visão. Se você não está acostumado a
trabalhar com alinhamento de fontes intensas, chame o professor para receber
orientações básicas. 
 Posicione o laser no suporte e coloque algum anteparo na frente da saída do
feixe.
 Ligue o gerador de sinais e o osciloscópio. Não mexa na regulagem do gerador
de sinais pois isso pode danificar o laser!
 Faça a ligação dos detetores com o osciloscópio usando os cabos BNC. Ligue os
detetores (a chave está embaixo da caixa metálica).
 Posicione o suporte do laser de maneira que o feixe incida na parede do lado
esquerdo do laboratório (entre as salas escuras e a janela). 
 Posicione o divisor de feixe de forma que a parte refletida do laser incida no
primeiro detetor.
 Traga a mesa com rodinhas para perto da mesa da experiência. Coloque o
espelho grande sobre ela, de modo que o feixe refletido seja orientado a ficar o
mais próximo possível do segundo detetor. Use a lente para focalizar o segundo
feixe de laser no segundo detetor.
 Observe os sinais na tela do osciloscópio, ajeite as escalas mais adequadas para
observar a parte inicial do pulso. Com isso feito, o teste de alinhamento está
pronto.
 Desloque a mesa para o outro lado do laboratório e coloque o espelho o mais
próximo da parede que for possível (deixe espaço para usar os parafusos de
ajuste horizontal e vertical). 
 Repita o procedimento de alinhamento, posicionando o segundo feixe mais
próximo do detetor correspondente, e usando a lente para focalização. Esta
situação corresponde à maior separação temporal do experimento. Use os
cursores do osciloscópio para medir esse ∆t. Aproveite para estimar a incerteza
desta medida!
 Use a trena para medir a distância da ponta do laser até o espelho. Cuidado que
o alinhamento é crítico e a mesa não é apropriada para óptica de precisão!
Chame o professor para discutir a melhor tática para a medida de comprimento.
Avalie a incerteza na medida de comprimento!
 Desloque a mesa por volta de 1 m em direção à bancada de medida. Refaça o
alinhamento e repita os procedimentos de medida. O último ponto pode ser
medido com a mesa móvel encostada na bancada ou com o espelho colocado na
própria mesa de medidas.
3. Análise
Neste caso, lembrando da Física Básica I fica claro que a análise dos dados
se dará de forma gráfica. Mas é importante fazer a propagação de erros de cada
conjunto de pontos e avaliar a confiabilidade de cada dado experimental. Seria
possível até realizar uma média com análise de desvio padrão para comparação
com o valor de c obtido graficamente (lembre que há uma incerteza associada a
cada parâmetro de um ajuste). Novamente, quanto maior o número de pontos,
melhor o resultado final das medidas. A sugestão é que o deslocamento mínimo da
mesa seja de aproximadamente 1 m por vez (aproximadamente mesmo, já que
você vai medir a distância correta com a trena); mas o deslocamento pode ser
menor, a critério da equipe, para obtenção de mais pontos. Avalie a distância e o
número de medidas desejadas antes de começar a fazer o experimento.