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Física – Eletromagnetismo, Ótica e Termodinâmica Thiago da Cruz Garcia 1 OBJETIVO Os fenômenos de reflexão e refração são associados à luz. O primeiro diz respeito à parcela da luz incidindo em uma superfície que separa dois meios, retornando ao meio de origem. O segundo fenômeno refere-se à parcela que passa para o segundo meio. A Figura 1 representa a situação mencionada e ilustra que os dois fenômenos ocorrem simultaneamente, tornando-se visível a parcela de maior intensidade luminosa. O objetivo proposto aqui é analisar, separadamente, cada fenômeno, principalmente a refração da luz. Verificar que no caso da reflexão o raio incidente retorna ao meio de origem (raio refletido), respeitando o mesmo ângulo da incidência, sempre medido em relação a uma reta normal à superfície (N). Serão feitos alguns experimentos com um simulador os efeitos da ref ração da luz. Prática 1 - Refração da luz Figura 1.: Esquema ilustrativo dos fenômenos de reflexão e refração da luz 2 METODOLOGIA A simulação dos experimentos foram feitos pelo site de simulação PHET, e utilizando o simulação das ferramentas do “desvio da luz”, observamos o seguinte: - A formulação de valores para o ângulo de raio incidente no valor de 45 graus, o raio refratado é de 17 graus. No ambiente do raio incidente, que é ar, o seu índice de refração é 1, a finalidade dessa etapa da prática é encontrar o índice refração do ambie nte de “Mistério A” utilizando a lei de Snell. As simulações para os efeitos exigidos foram visualizados no site de simulação dos eventos abaixo. Usa-se as ferramentas na figura 3 que definem o ângulo de incidência, comprimento de onda, e os ambientes de reflexão e refração . Site de simulação dos eventos: https://phet.colorado.edu/pt_BR/ Prática 1 - Refração da luz Figura 2–Evento obtido pelo PHET. Figura 3–Evento obtido pelo PHET RESULTADOS E DISCUSSÃO Cálculos n1. sen45 = n 2. sen 17 (Lei de Snell) 1 . 0 ,707 = n2. 0,292 n2= 2,42 (índice de refração do ambiente “mistério A” Utilizando o mesmo procedimentos, P/angulo incidência 44 graus/angulo r.refrata do de 30 graus. Sabemos que : 1 . sen44 = n2 .sen30, (ar=1) Assim, o índice de refração do “mistério B” é 1,4. Prática 1 - Refração da luz Figura 3-Imagem do simulador na primeira proposição. RESULTADOS E DISCUSSÃO Observação.: Vimos no simulador PHET que se a velocidade da luz diminui, o comprimento de onda aumenta e vice-versa. A frequência da luz não se altera, entretanto, sua velocidade e comprimento de onda variam de maneira inversamente proporcional: Mudanças do comprimento de onda na simulaçã o: - Exemplo 1 - um a onda c/comprimento de 400 nm - o c. de onda no “mistério A” será: 400/2,42 = 165,3 nm - Onda cor violeta Angulo d e desvio = 4 5-17=28 graus - Exemplo 2 - uma onda c/comprimento de 600 nm - o c. da onda no “mistério A” será: 600/2,42 = 247,9 nm - Onda cor laranja Angulo d e desvio = 4 5-17=28 graus - Exemplo 3 - um a onda com comprimento de 700 nm - o c. da onda no “mistério A” será: 700/2,42 = 289,25 nm - Onda cor vermelho Angulo d e desvio = 4 5-17=28 graus Prática 1 - Refração da luz Figura 3-Imagem do simulador na primeira proposição. Resultados e imagens. Prática 1 - Refração da luz Figura 4 - Onda cor violeta c/400 nm. Figura 5 - Onda cor laranja c/600 nm. Figura 6 - Onda cor vermelho c/700 nm. CONCLUSÕES. Prática da refração da luz utilizando o simulador propiciou ver a importância da lei de Snell-Descartes, ela relacionou os ângulos forma dos entre os raios de luz e a reta normal com os índices de refração dos meios em análise. Observou-se que as técnicas para medir índices de refração são especialmente atraentes na caracterização de materiais. Isso se deve a dois fatores: em geral empregam métodos não destrutivos, e os resultados são alcançados. Em técnicas óticas, o índice de refração tem importância primordial, por exemplo, no desenvolvimento de fibras óticas e lentes, etc. Neste experimento, medimos com o simulador e através de fórmulas matemáticas calculamos os índices de refração em diferentes mate riais para um mesmo comprimento de onda da luz e para diferentes comprimentos de onda. Prática 1 - Refração da luz OBJETIVO. O objetivo dessa prática é fazer experimentos em um simulador, fazendo com que a parte teórica do aprendizado seja consolidada. Sabe-se que eletrizar um corpo significa torná-lo portador de carga elétrica líquida, seja positiva ou negativa, e é sinônimo de carregar o corpo. As m aneiras mais comuns de se fazer isso são: atrito, contato ou indução. Partindo desse princípio que cargas elétricas de mesmo sinal rep elem-se e cargas elétricas de sinais contrários atraem-se, e daí ocorre a força de interação entre essas cargas, vemos também que essa interação depende do meio onde elas se encontram e é diretamente proporcional ao produto dos valores absolutos das cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas, então esse é o compromisso dessa prática Figura 1 –Cargas elétricas Prática 2 – Interação Eletrostática 8 METODOLOGIA A metodologia a ser empregada para confrontarmos os cálculo matemáticos, para conhecermos os valores, as interações, as forças, e os potenciais envolvido s provenientes das posições da cargas elétricas, vamos utilizar o simulador PHET, e estudarmos as amostras dos experimentos. (https://phet.colorado.edu/sims/html/charges-and-fields/latest/charges-and-fields_all.html?locale=pt_BR ) A interação entre dois corpos portadores de cargas elétricas obedece à Terceira Lei de Newton (Princípio da ação e reação). Sobre cada um dos dois corpos atua uma força que se deve a presença do outro, mas vamos a analisar primeiramente a carga elétrica. Vejamos a proposta inicial do simulado r, ou seja , duas cargas, uma positiva (vermelha) e outra negativa (azul), de forma que sejam calculadas as quantidades de elétrons de cada uma, além disso, deve-se ser calculada a força de interação entre as cargas, como também o valor do potencial elétrico no ponto ama relo marcado. - Cálculo do número de elétrons ao te r a informação da carga em coulombs. Então pela fórmula: (Q = n.e) +1.10^-9 coulombs = n . 1,6 . 10^-19 n = 10^-9/1 ,6.10^-19 --- 6,25 .10^9 elétrons {Carga negativa (excesso de elétrons) e na Carga positiva (falta de elétrons)} Prática 2 – Interação Eletrostática RESULTADOS E DISCUSSÃO. Força e letrostática entre duas cargas F = K.Q1.Q2 /d^2 9.10^9. 1.10^-9.1.10^-9/2^2 = 2,25.10^-9 Newtons Campo resu ltante sobre uma ca rga de prova. E = K.Q/d^2 Carga(+) (9.10^9 . 1.10^-9) / 1 = 9 newtons/coulomb Carga(-) (9.10^9 . 1.10^-9) / 9 = 1 newtons/coulomb Vetor Resultante do Campo elétrico no ponto amarelo é 8 ne wtons/coulomb (vide f igura ao lado) Potencial elétrico na ca rga de prova. Pela carga positiva: V= K .(Q/D) --- V=9.10^9. (1.10^-9 /1) --- V= 9,0 volts Pela carga negativa: V= K .(Q/D) --- V=9.10^9. (1.10^-9 /3) --- V= -3,0 volts Potencial elétrico to tal - Resposta : V= 6 volts Prática 2 – Interação Eletrostática Figura 2 –Proposição das posições da s cargas. CONCLUSÕES Estudamos esta prática com ajuda fundamental do simulador, através de experimentos com a carga elétrica, estudamos a eletrização, campo elétrico, f orça interativa das cargas, e o potencial elétrico. 1 - A carga elétrica é uma propriedade própria da s partículas fundamentais da matéria, como prótons e elétrons, assim como a massa. Corpos eletricamente neutros apresentam a mesma quantidade de cargas elétricas positiva s e negativas. 2 - A eletrização é t odo processo capaz de gerar uma diferença entre o número de cargas positivas e negativas de um corpo. Quando um corpo a presenta o mesmo número de cargas positivas e negativas, dizem os que ele está neutro; se esses números forem diferentes, dizemos que ele está eletrizado. Corpos com cargas elétricas de sinais iguais repelem - se, e corpos cujas cargas elétricas possuem sinais contrários atraem -se." 3 - Campo Elétrico é uma grandeza física vetorialatribuída a cargas elétricas. Toda carga elétrica influencia o espaço ao seu redor por causa do seu campo elétrico. Podemos entender o campo elétrico, portanto, como a influência que as cargas elétricas exercem em seus arredores. 4 - O potencial elétrico é uma grandeza física escalar representada totalmente por seu módulo e medida em Volts (V) no Sistema Internacional de Unidades. Essa grandeza mede a quantidade de energia fornecida por um campo elétrico para cada Coulomb de carga. Prática 2 – Interação Eletrostática OBJETIVO. A finalidade dessa prática consiste basicamente entender como o circuito elétrico com seus componentes funcionam, como por exemplo, o gerador, que é um elemento essencial. Ele é a fonte da energia elétrica que se será convertida nas outras formas de energia. Será utilizado uma ferramenta simuladora (figura 1 ao lado) que monta o circuito elétrico com valores pré-definidos. Compreender a causa da intensidade da corrente elétrica, que não depende apenas da voltagem , mas também da resistência elétrica. A Física, como ciência, está presente e se manifesta, a todo o momento , em nossas vidas. Acredita-se, então, que os conhecimentos que podem ser adquiridos através dos circuitos elétricos, devem despertar o interesse e trazer a satisfação da aprendizagem da matéria. Prática 3 – Circuitos elétricos Figura 1 –Todas as chaves abertas 12 METODOLOGIA Prática 3 – Circuitos elétricos Figura 2 –Todas as chaves fechadas O simulador (https://phet.colorado.edu)permite desenhar e montar o circuito elétrico proposto pelo professor. Vimos a passagem da corrente elétrica passando pelas resistências (3 lâmpadas), podemos na ferramenta mudar os valores das resistências, das correntes elétricas e das tensões aplicadas. Observe o maior brilho da lâmpada de 6 ohms, que está sendo atravessada pela maior corrente. Observe os cálculos: Cálculo d o Req/Corrente das lâmpadas solicitadas (considerar todas as chaves fechadas) 1/Req = 1/12 + 1/12 + 1/6 = 4/12 = 1/3 ohms Req = 3 ohms Volta gem = Resistência x Corrente Elétrica 12 = 3 x I , logo I = 4 ampéres Lâmpadas de 12 ohms, o “I” circulante é calculado por V = 12 volts, então pela lei de OHM,temos : V= R x I --- 12 = 12 x I --- I = 1 ampére Lâmpada d e 6 ohms, temos : V =R x I 12 = 6 x I, logo I = 2 ampéres RESULTADOS E DISCUSSÃO Considerações sobre o circuito proposto Primeira Consideração: Observa-se que nas lâmpada s de 12 ohms a corrente é de valor menor que a corrente que passa na lâmpada de 6 ohms, mas as três consomem a mesma tensão . Segunda Consideração: O valor da resistência equivalente as três lâmpadas é 3 ohms, conforme calculo apresentado anteriormente, bem menor que os valores das resistências das lâmpadas. Terceira Consideração: - As chaves de ligação, no braço de cada lâmpada quando desligadas, não alteram as correntes de passagem das outras, e cada lâmpada com a chave ligada permanece com o m esmo valor de corrente elétrica. Quarta Consideração: A intensidade da corrente elétrica não depende a pena s da voltagem, mas também da resistência elétrica, conforme especificado pela lei de OHM Prática 3 – Circuitos elétricos CONCLUSÕES Esta prática consolidou o s estudos teóricos da funcionalidade dos circuitos elétricos. O que é uma corrente elétrica? Chamamos de corrente elétrica ao movimento ordenado de portadores de carga elétrica. Neste caso, os portadores de carga elétrica sã o os elétrons livres nos condutores só lidos (metais) e os cátions e ânions, nos condutores eletrolíticos (soluções iônicas–líquidos). A causa e a fonte de voltagem em um circuito elétrico é o gerador. A intensidade da corrente elétrica não de pende apenas da voltagem, mas também da resistência elétrica que o condutor oferece à passagem de corrente elétrica. Quando uma corrente elétrica passa por um condutor sólido, um número muito grande de elétrons livres se desloca nesse condutor. Os elétrons livres colidem entre si e colidem também contra os átomos que formam o condutor. Devido a essas colisões, os elétrons livres encontram uma certa dificuldade para se deslocar, existe uma resistência à passagem de corrente elétrica. Essa prática com a realização das funcionalidades “vivas” pelo simulador nas aplicações de alguns experimentos de circuitos elétricos em comparação com os cálculos matemáticos foram coincidente s e satisfatórios com os resultados das simulações obtidas Prática 3 – Circuitos elétricos image2.png image3.png image4.png image5.png image6.png image7.png image8.png image9.png image10.png image11.png image12.png image13.png image14.png image15.png
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