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1 Difração e interferência em fendas duplas - Simulador Algetec Fabio Jose Zimmermann RU 3231402 Centro Universitário Uninter Rua Argentina, 1000 – CEP: 85884 - 000 – Medianeira – Paraná - Brasil e-mail: fabio_josezimmermann@hotmail.com Resumo. Nesta atividade iremos utilizar de forma prática os conceitos da disciplina, mais especifi- camente a teoria envolvida na difração e interferência da luz. Estudar o fenômeno da difração utilizando um laser, fio de cabelo e fendas duplas de diferentes tamanhos. Verificar os padrões de interferência e difração produzidos pelo fio de cabelo e por diferentes fendas duplas. Introdução A difração é a capacidade das ondas de contornar obstáculos. Quando uma onda encontra um obstáculo que possui uma abertura de dimensões comparáveis ao comprimento de onda, a parte da onda que passa pela abertura se alarga (é difratada) na região que fica do outro lado do obstáculo. Esse alargamento acontece de acordo com o princípio de Huygens. A difração constitui uma limitação para a ótica geométrica, na qual as ondas eletromagnéticas são representadas por raios. Quando tentamos formar um raio fazendo passar a luz por uma fenda estreita ou por uma série de fendas estreitas, a difração frustra nossos esforços, fazendo a luz se espalhar. Já a interferência de ondas é o fenômeno que ocorre em virtude do encontro simultâneo de duas ondas que se propagam no mesmo meio. Sendo assim, podemos dizer que quando duas ou mais ondas chegam ao mesmo tempo a um ponto em comum de um meio, ocorre o fenômeno da interferência, ou seja, as ondas se superpõem naquele ponto, originando um efeito que é o resultado da soma algébrica das amplitudes de todas as perturbações no local de superposição. Seu entendimento só foi possível com a formulação do Princípio da Superposição, por Thomas Young. Procedimento Experimental Verificando a distância entre as franjas Espessura do fio de cabelo “a” a = 60 𝝁𝒎. A fenda está a 300 milímetros de distância do anteparo. distmín (-3/0) = y-3 = 8,6 mm distmín (-2/0) = y-2 = 5,2 mm distmín (-1/0) = y-1 = 1,6 mm distmín ( 0/1) = y1 = 1,6 mm distmín ( 0/2) = y2 = 5,2 mm distmín (0/3) = y3 = 8,6 mm Determinando o comprimento de onda da luz vermelha Figura 1: Feixe luz vermelha L = 300mm a = 60 m 𝝀 = 𝒂. 𝚫𝒚 𝑳 𝝀 = 𝟔𝟎. 𝟏𝟎−𝟔 ∗ 𝟑, 𝟒 𝟑𝟎𝟎 𝝀 = 6,8. 𝟏𝟎−𝟕 𝝀 = 𝟔𝟎. 𝟏𝟎−𝟔 ∗ 𝟑, 𝟔 𝟑𝟎𝟎 𝝀 = 7,2. 𝟏𝟎−𝟕 Dados do Experimento – Laser Vermelho Franjas 𝚫𝒚 (mm) Comprimento de Onda 𝜆 (y-3 – y- 2) 8,6- 5,2=3,4 6,8. 𝟏𝟎−𝟕 (y-2 – y- 1) 5,2- 1,6=3,6 7,2. 𝟏𝟎−𝟕 (y2 – y1) 5,2- 1,6=3,6 7,2. 𝟏𝟎−𝟕 2 (y3 – y2) 8,6- 5,2=3,4 6,8. 𝟏𝟎−𝟕 Comprimento de onda médio 𝜆𝑚 𝟕. 𝟏𝟎−𝟕 Você identificou diferentes comprimentos de onda para cada franja? Se sim, explique a possível causa para esta ocorrência. R: Sim. A medida não dá para identificar sé é precisa mas no meu experimento deu os mesmos valores aparentemente. Figura 2: Feixe luz laranja Dados do Experimento – Laser Laranja Franjas 𝚫𝒚 (mm) Comprimento de Onda 𝜆 (y-3 – y-2) 7,5-4,5=3 6. 𝟏𝟎−𝟕 (y-2 – y-1) 4,5- 1,4=3,1 6,2. 𝟏𝟎−𝟕 (y2 – y1) 4,5- 1,6=2,9 5,8. 𝟏𝟎−𝟕 (y3 – y2) 7,6- 4,5=3,1 6,2. 𝟏𝟎−𝟕 Comprimento de onda médio 𝜆𝑚 6, 𝟎𝟓. 𝟏𝟎−𝟕 Figura 3: Feixe luz amarela Dados do Experimento – Laser amarelo Franjas 𝚫𝒚 (mm) Comprimento de Onda 𝜆 (y-3 – y- 2) 7,2- 4,3=2,9 5,8. 𝟏𝟎−𝟕 (y-2 – y- 1) 4,3- 1,4=2,9 5,8. 𝟏𝟎−𝟕 (y2 – y1) 4,4- 1,5=2,9 5,8. 𝟏𝟎−𝟕 (y3 – y2) 7,4-4,4=3 𝟔. 𝟏𝟎−𝟕 Comprimento de onda médio 𝜆𝑚 5,8𝟓. 𝟏𝟎−𝟕 3 Figura 4: Feixe luz verde Dados do Experimento – Laser verde Franjas 𝚫𝒚 (mm) Comprimento de Onda 𝜆 (y-3 – y-2) 6,9- 4,1=2,8 5,8. 𝟏𝟎−𝟕 (y-2 – y-1) 4,1- 1,4=2,7 5,4. 𝟏𝟎−𝟕 (y2 – y1) 4,2- 1,4=2,8 5,8. 𝟏𝟎−𝟕 (y3 – y2) 7-4,2=2,8 5,8. 𝟏𝟎−𝟕 Comprimento de onda médio 𝜆𝑚 5,7. 𝟏𝟎−𝟕 Figura 5: Feixe luz azul Dados do Experimento – Laser azul Franjas 𝚫𝒚 (mm) Comprimento de Onda 𝜆 (y-3 – y-2) 6-3,5=2,5 5. 𝟏𝟎−𝟕 (y-2 – y-1) 3,5-1,1=2,4 𝟒, 𝟖. 𝟏𝟎−𝟕 (y2 – y1) 3,6-1,2=2,4 𝟒, 𝟖. 𝟏𝟎−𝟕 (y3 – y2) 6-3,6=2,4 𝟒, 𝟖. 𝟏𝟎−𝟕 Comprimento de onda médio 𝜆𝑚 𝟒, 𝟖𝟓. 𝟏𝟎−𝟕 4 Fenda dupla I L = 320 mm distmáx (-1/0) = 7,2 mm distmáx ( 0/1) = 7,2 mm Figura 6: Feixe luz vermelha fenda dupla I distmáx (-1/0) = 6,8 mm distmáx ( 0/1) = 6,6 mm Figura 7: Feixe luz laranja fenda dupla I Dados do Experimento – Laser Vermelho - 𝜆𝑚 = 𝟕. 𝟏𝟎−𝟕 Franjas distmáx Ângulo 𝜃 Distância entre fendas d (m) (-1/0) 7,2 0,02249 𝟑, 𝟏. 𝟏𝟎−𝟓 ( 0/1) 7,2 0,02249 𝟑, 𝟏. 𝟏𝟎−𝟓 Dados do Experimento – Laser Laranja - 𝜆𝑚 = 6, 𝟎𝟓. 𝟏𝟎−𝟕 Franjas distmáx Ângulo 𝜃 Distância entre fendas d (m) (-1/0) 6,8 0,02124 𝟐, 𝟖. 𝟏𝟎−𝟓 ( 0/1) 6,6 0,02062 𝟐, 𝟗. 𝟏𝟎−𝟓 Dados do Experimento – Laser Amarelo - 𝜆𝑚 = 5,8𝟓. 𝟏𝟎−𝟕 Franjas distmáx Ângulo 𝜃 Distância entre fendas d (m) (-1/0) 6,4 0,01999 𝟐, 𝟗. 𝟏𝟎−𝟓 ( 0/1) 6,4 0,01999 𝟐, 𝟗. 𝟏𝟎−𝟓 Dados do Experimento – Laser Verde - 𝜆𝑚 = 5,7. 𝟏𝟎−𝟕 Franjas distmáx Ângulo 𝜃 Distância entre fendas d (m) (-1/0) 6,2 0,01937 𝟐, 𝟗. 𝟏𝟎−𝟓 ( 0/1) 6,2 0,01937 𝟐, 𝟗. 𝟏𝟎−𝟓 Dados do Experimento – Laser Azul - 𝜆𝑚 = 𝟒, 𝟖𝟓. 𝟏𝟎−𝟕 Franjas distmáx Ângulo 𝜃 Distância entre fendas d (m) (-1/0) 5 0,01562 𝟑, 𝟏. 𝟏𝟎−𝟓 ( 0/1) 5,2 0,01624 𝟐, 𝟗. 𝟏𝟎−𝟓 dmédio 𝟐, 𝟗𝟓. 𝟏𝟎−𝟓 5 Fenda dupla II L = 320 mm distmáx (-1/0) = 4,2 mm distmáx ( 0/1) = 4,4 mm Figura 6: Feixe luz vermelha fenda dupla I distmáx (-1/0) = 4 mm distmáx ( 0/1) = 3,8 mm Figura 7: Feixe luz laranja fenda dupla I Dados do Experimento – Laser Vermelho - 𝜆𝑚 = 𝟕. 𝟏𝟎−𝟕 Franjas distmáx Ângulo 𝜃 Distância entre fendas d (m) (-1/0) 4,2 0,01312 𝟓, 𝟑. 𝟏𝟎−𝟓 ( 0/1) 4,4 0,01375 𝟓. 𝟏𝟎−𝟓 Dados do Experimento – Laser Laranja - 𝜆𝑚 = 6, 𝟎𝟓. 𝟏𝟎−𝟕 Franjas distmáx Ângulo 𝜃 Distância entre fendas d (m) (-1/0) 4 0,01249 𝟒, 𝟖. 𝟏𝟎−𝟓 ( 0/1) 3,8 0,01187 𝟓. 𝟏𝟎−𝟓 Dados do Experimento – Laser Amarelo - 𝜆𝑚 = 5,8𝟓. 𝟏𝟎−𝟕 Franjas distmáx Ângulo 𝜃 Distância entre fendas d (m) (-1/0) 3,6 0,01124 𝟓, 𝟐. 𝟏𝟎−𝟓 ( 0/1) 3,8 0,01187 𝟒, 𝟗. 𝟏𝟎−𝟓 Dados do Experimento – Laser Verde - 𝜆𝑚 = 5,7. 𝟏𝟎−𝟕 Franjas distmáx Ângulo 𝜃 Distância entre fendas d (m) (-1/0) 3,5 0,01093 𝟓, 𝟐. 𝟏𝟎−𝟓 ( 0/1) 3,6 0,01125 𝟓. 𝟏𝟎−𝟓 Dados do Experimento – Laser Azul - 𝜆𝑚 = 𝟒, 𝟖𝟓. 𝟏𝟎−𝟕 Franjas distmáx Ângulo 𝜃 Distância entre fendas d (m) (-1/0) 3 0,00937 5,1. 𝟏𝟎−𝟓 ( 0/1) 3 0,00937 𝟓, 𝟏. 𝟏𝟎−𝟓 dmédio 𝟓, 𝟎𝟔. 𝟏𝟎−𝟓 6 Fenda dupla III L = 320 mm distmáx (-1/0) = 4,4 mm distmáx ( 0/1) = 4,4 mm Figura 6: Feixe luz vermelha fenda dupla I distmáx (-1/0) = 4 mm distmáx ( 0/1) = 4 mm Figura 7: Feixe luz laranja fenda dupla I Dados do Experimento – Laser Vermelho - 𝜆𝑚 = 𝟕. 𝟏𝟎−𝟕 Franjas distmáx Ângulo 𝜃 Distância entre fendas d (m) (-1/0) 4,4 0,01374 𝟓. 𝟏𝟎−𝟓 ( 0/1) 4,4 0,01374 𝟓. 𝟏𝟎−𝟓 Dados do Experimento – Laser Laranja - 𝜆𝑚 = 6, 𝟎𝟓. 𝟏𝟎−𝟕 Franjas distmáx Ângulo 𝜃 Distância entre fendas d (m) (-1/0) 4 0,01249 𝟒, 𝟖. 𝟏𝟎−𝟓 ( 0/1) 4 0,01249 𝟒, 𝟖. 𝟏𝟎−𝟓 Dados do Experimento – Laser Amarelo - 𝜆𝑚 = 5,8𝟓. 𝟏𝟎−𝟕 Franjas distmáx Ângulo 𝜃 Distância entre fendas d (m) (-1/0) 3,6 0,01124 𝟓, 𝟐. 𝟏𝟎−𝟓 ( 0/1) 3,8 0,01187 𝟒, 𝟗. 𝟏𝟎−𝟓 Dados do Experimento –Laser Verde - 𝜆𝑚 = 5,7. 𝟏𝟎−𝟕 Franjas distmáx Ângulo 𝜃 Distância entre fendas d (m) (-1/0) 3,5 0,01093 𝟓, 𝟐. 𝟏𝟎−𝟓 ( 0/1) 3,6 0,01124 𝟓. 𝟏𝟎−𝟓 Dados do Experimento – Laser Azul - 𝜆𝑚 = 𝟒, 𝟖𝟓. 𝟏𝟎−𝟕 Franjas distmáx Ângulo 𝜃 Distância entre fendas d (m) (-1/0) 3 0,00937 𝟓, 𝟏. 𝟏𝟎−𝟓 ( 0/1) 3 0,00937 𝟓, 𝟏. 𝟏𝟎−𝟓 dmédio 𝟓, 𝟎𝟏. 𝟏𝟎−𝟓 7 1 – Pela observação das figuras de difração e dos resultados da tabela de dados, como o espaçamento entre as franjas varia com a espessura do fio de cabelo? R: Quanto menor a espessura do fio cabelo maior é o espaçamento entre as franjas. 2 – Com base na geometria, escreva uma expressão para calcular o ângulo 𝜃 formado entre a direção do feixe central e a direção de cada mínimo. Estes ângulos são calculados considerando que a direção do feixe em cada mínimo, a direção do feixe no máximo central (distancia L) e a distância dos mínimos no anteparo y formam um triangulo retângulo. Veja a imagem. R: 𝑡𝑔 𝜃 = 𝑦𝑚 𝐿 3 – Com base na óptica física, escreva uma expressão para calcular o ângulo formado entre a direção do feixe central e a direção de cada mínimo devido a difração. R: 𝑠𝑒𝑛 𝜃 = 𝑚. 𝜆 𝑎 4 – Combine as expressões dos itens anteriores de forma a resultar uma equação para o comprimento de onda 𝜆 em função da ordem destes mínimos. Lembre-se que para ângulos 𝜃 pequenos vale a aproximação 𝑠𝑒𝑛𝜃 ≈ 𝜃 ≈ 𝑡𝑎𝑛𝜃. R: 𝑚.𝜆 𝑎 = 𝑦𝑚 𝐿 𝜆 = 𝑎. 𝑦𝑚 𝑚. 𝐿 5 - Qual o comprimento de onda obtido para cada cor de laser? R: Vermelho = 𝟕. 𝟏𝟎−𝟕 Laranja = 6, 𝟎𝟓. 𝟏𝟎−𝟕 Amarelo = 5,8𝟓. 𝟏𝟎−𝟕 Verde = 5,7. 𝟏𝟎−𝟕 Azul = 𝟒, 𝟖𝟓. 𝟏𝟎−𝟕 6 - Foi possível observar o fenômeno da difração? Como se poderia explicar o surgimento e o posicionamento das franjas claras e escuras? R: Sim. A luz ao passar pela fenda sofre espalhamento do feixe de luz, as partes mais claras tem interferência construtiva e a ausência de luz tem interferência destrutiva. 7 - O tamanho de onda encontrado para cada uma das cores de laser está condizente com o esperado pela teoria? Verifique na literatura ou na internet o comprimento de onda de cada cor. R: sim, dentro do esperado. Difração e Interferência em fenda dupla 1 – Como padrão de interferência em fenda dupla se diferencia do padrão obtido para o fio de cabelo? R: Sim 2 – Com base na geometria, escreva uma equação para calcular o ângulo formado entre a direção do feixe central e a direção de cada máximo, franjas claras. Estes ângulos são calculados considerando que a direção do feixe em cada máximo, a direção do feixe no máximo central (distância L) e a distância y dos máximos no anteparo formando um triângulo retângulo. R: 𝑡𝑔 𝜃 = 𝑦𝑚 𝐿 3 – Com base na óptica física, escreva uma expressão para calcular o ângulo formado entre a 8 direção do feixe central e a direção de cada máximo devido a interferência. R: 𝑠𝑒𝑛 𝜃 = 𝑚. 𝜆 𝑑 4 – Combine as expressões dos itens anteriores de forma a resultar uma equação para distância entre as fendas em função da ordem destes máximos. Lembre-se que para ângulos 𝜃 pequenos vale a aproximação 𝑠𝑒𝑛𝜃 ≈ 𝜃 ≈ 𝑡𝑎𝑛𝜃. R: 𝜆 = 𝑑. 𝑦𝑚 𝑚. 𝐿 5 – A partir deste resultado calcule a separação da fenda dupla I. R: d1 = 2,95. 10−5 6 – Considerando a tolerância de 5% entre os valores, a largura encontrada da fenda sempre foi a mesma ao se variar a cor do laser? Justifique. R: Varia conforme a cor do laser. Conforme a cor do laser varia a distância entre as franjas. 7 - Repita os passos anteriores para a fenda dupla II e fenda dupla III. Qual o valor da distância entre as fendas obtido? R: d2 = 5,06. 10−5 d3 = 5,01. 10−5 Referências Materiais do roteiro de estudo e vídeo aulas do AVA.