FISICA_EXPERIMENTAL_II-28_09_2014

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FISICA EXPERIMENTAL II
 de EdimaPereira | trabalhosfeitos.com
 APOSTILA DE FÍSICA EXPERIMENTAL II
PROF. ROBSON FLORENTINO
FÍSICA I
Professor Robson Florentino de Lima
Caderno de Laboratório
Cada estudante deverá manter um Caderno de Laboratório, no qual anotará os dados,
procedimentos e demais informações relevantes à realização de cada experiência. Não se trata de
um caderno de relatórios. As anotações devem ser feitas durante a realização do experimento
para garantir a objetividade e a fidelidade.
Não é simples definir a priori o que é "relevante ao experimento". Uma maneira de avaliar
a relevância de uma informação é imaginar que se você usar o Caderno daqui a alguns meses
(isto vai acontecer realmente, nas provas, exames e demais experimentos) ou mesmo anos, a
informação contida no Caderno deve lhe permitir repetir a experiência sem dificuldade,
entendendo do anotado no Caderno o que foi feito e quais foram os resultados e as conclusões.
Em algumas disciplinas o Caderno poderá ser consultado durante as provas, por isso é
fundamental que a informação seja concisa e bem organizada.
É expressamente proibido realizar cópia de dados do caderno de outros alunos. No caso
de trabalhos em grupo, cada aluno é responsável pelo registro dos dados em seu Caderno. Ele
poderá copiar figuras e tabelas de livros e apostilas indicando claramente a fonte. Se o aluno
estiver ausente em algum dia, ele deverá realizar o experimento correspondente em outro dia(verifique o horário disponível do laboratório).
É muito desejável que seja um caderno grande (formato A4) e com folhas quadriculadas.
No mínimo, para cada experimento o Caderno de Laboratório deve sempre conter:
1. Título do experimento, data de realização e colaboradores;
2. Objetivos do experimento;
3. Roteiro dos procedimentos experimentais;
4. Esquema do aparato utilizado;
5. Descrição dos principais instrumentos;
6. Dados medidos;
7. Cálculos;
8. Gráficos;
9. Resultados e conclusões.
O formato de apresentação destes 9 itens não é rígido. O mais indicado é usar um formato
seqüencial, anotando-se à medida que o experimento evolui.
No Caderno de Laboratório também se anotam as observações que podem ser úteis na
continuação de um experimento, ou lembretes de coisas que você deve providenciar (do tipo:
"passar na biblioteca para verificar uma referência", ou "lembrar de zerar o micrômetro antes de
começar a medir" ou ainda: "perguntar ao professor porque a faísca falha às vezes", ...)
Fonte: G.L. Squires, "Practical Physics" (Cambridge University Press, 1991), capítulo 10, pp.
139-146; e D.W. Preston, "Experiments in Physics" (John Wiley & Sons, 1985), pp. 2-3.
FÍSICA II
Atividade experimental I– Massa específica
Professor Robson Florentino de Lima
1 - Objetivos gerais
Ao término desta atividade o aluno deverá ser capaz de:
- Medir a massa específica de corpos sólidos
− Medir amassa específica de corpos líquidos
− Calcular o peso específico destas substâncias
2 - Material necessário:
- Esfera metálica;
- Paquímetro;
- Balança digital.
3 – Introdução teórica:
Massa específica ou densidade absoluta de um corpo é a razão da massa desse corpo para seu
volume. É portanto, a massa da unidade de volume. Designa-se pela letra grega . Tomando-se como
unidade de volume o centímetro cúbico, podemos dizer que a densidade absoluta de um corpo é a massa
por cm3 deste corpo. Como exemplo consideremos um cubo de 2 cm de aresta, feito de alumínio o qual
tem a massa de 21,6 g e o volume de 8 cm3 então: 2,7g.cm-3
A massa específica da água destilada e isenta de ar, na temperatura de 4°C é considerada como
valendo 1 g.cm . Para definir massa específica num ponto a massa ∆m de um fluido num volume ∆V
circundando o ponto é dividida por ∆V e toma-se o limite para ∆V tendendo a E3 onde e é ainda grande
quando comparada com a distância média entre as moléculas:
-3
4 - Procedimento experimental:
I – Corpos sólidos
Corpos com forma regular - Cilindro
- Medir com paquímetro a altura e o diâmetro do cilindro
- Determinar a massa do cilindro
- Anotar os valores no quadro de trabalho
Espaço reservado para os cálculos.
FÍSICA II
Atividade Experimental ____ -DENSIDADE DE LÍQUIDOS
Professor Robson Florentino de Lima
FÍSICA II
Atividade Experimental ____ -PRINCÍPIO DEARQUIMEDES
Professor Robson Florentino de Lima
1. Objetivos
Determinar a densidade de um corpo.
2 - Introdução
Um corpo imerso num líquido tem peso aparente menor do que seu peso verdadeiro. Se este
corpo possuir densidade média menor do que a do líquido, este flutuará com uma parte imersa e
outra emersa. Tais fatos são explicados pelo Princípio de Arquimedes. Este princípio estabelece que
um corpo, total ou parcialmente imerso num fluído, sofrerá a ação do Empuxo que é uma força para
cima, perpendicular a superfície do líquido e cujo módulo é dada pela equação:
E = g V d ρ (1)
onde, é a densidade do fluído e Vd é o volume do fluído deslocado.
O empuxo é a resultante de todas as forças aplicadas sobre o corpo imerso num líquido.
Sabe-se da estática de fluidos que a pressão é tanto maior quanto maior for a profundidade
num meio líquido (lei de Stevin), ou seja, P = gh. Se esta pressão é exercida sobre toda a superfície
de um corpo imerso, é evidente que, a resultante será uma pressão de baixo para cima. (Figura 1).
h2 > h1
P1 = gh1
P2 = gh2
P3 = P4
(2)
(3)
(4)
(5)
Como: h1 > h2 → P2 > P1.
Figura 1 – Esquema das forças aplicadas em um corpo imerso em um fluido.
O ponto de aplicação do Empuxo C é conhecido como centro de Empuxo ou centro de
carena (ou quarena). Este é o centro de gravidade da parte submersa do corpo. Quando o corpo está
totalmente imerso, C = G, onde G é o centrode gravidade do corpo. Por outro lado, para corpos
flutuantes o C estará abaixo de G. Neste caso, quando o corpo flutuante oscila com certo ângulo , C
também oscilará, descrevendo um arco de circunferência com o centro em um ponto M conhecido
como meta centro. O meta centro é fundamental no estabelecimento de equilíbrio de corpos
flutuantes, a saber:
a) Estável : M acima de G.
b) Instável : M abaixo de G;
c) Indiferente : M = G
Figura 2 – Equilíbrio de um corpo flutuante
3. Materiais utilizados
- Mola;
- Massas de chumbo de diferentes dimensões;
- Escala;
- Proveta;
- Água;
- Tubo de ensaio;
- Béquer.
4. Procedimento experimental
1- Determinação do empuxo sobre um corpo totalmente imerso em água.
a) Determine K de uma mola medindo a elongação sofrida pela mola quando uma massa qualquer é
suspensa;
b) usando o mesmo sistema do item anterior, porém agora com o corpo totalmente imerso em água,
determine a elongação x' e o volume deslocado (Vd).
As forças aplicadas sobre este corpo imerso são F1 = Kx', E = gVd e o peso W = mg, de tal forma
que: W = F1+ E (6)
Desta equação de equilíbrio é facil demostrar que
(7)
sendo VS o volume do sólido, S e L a densidade do sólido e do líquido, respectivamente;
FÍSICA II
Atividade Experimental ____ -DILATAÇÃO TÉRMICA
Professor Robson Florentino de Lima
1. Objetivos
- Determinar os coeficientes de dilatação térmica linear de algunsmateriais.
2 - Introdução
Quando um sólido é submetido a uma variação de temperatura T, verifica-se
experimentalmente que as suas três dimensões sofrem variações. No entanto, dependendo da
geometria do sólido, uma ou até duas dimensões apresentam variações desprezíveis. É o caso dos
tubos metálicos finos e longos.
A partir de constatações empíricas, podemos afirmar, em termos de dilatação térmica
linear, que:
a) A variação do comprimento é diretamente proporcional a variação da temperatura, T;b) A variação do comprimento é diretamente proporcional ao seu comprimento inicial, L0;
c) A variação do comprimento depende do material, ou seja, do coeficiente de dilatação linear do
material;
d) Para o mesmo material, o coeficiente de dilatação depende da faixa de variação da temperatura T
(ex. 0 a 100°C).
Assim, temos:
(1)
3. Materiais utilizados
- Tubo de ensaio;
- Tubos de diferentes materiais (latão, cobre e alumínio);
- Rolha de látex;
- Relógio comparador (medidor da dilatação);
- Termopar (sensor para medida de temperatura);
- Conectores diversos;
- Tripé;
− Multímetro.
−
4. Procedimento experimental
a) Meça o comprimento L do tubo na temperatura ambiente, conforme figura abaixo;
b) Monte o tubo no aparato experimental conforme indica a figura 1. A base do contato do
micrômetro deverá estar apoiada no anel de fixação do tubo;
Fig. 1: Aparato experimental utilizado para medidasde expansão térmica.
c) use a mola de fixação para fixar a cabeça do termopar aproximadamente na metade do
comprimento do tubo, conforme a figura abaixo;
d) Zerar a escala do micrometro de pressão. Para tanto, desaperte o parafuso (A) lateral do indicador
que fixa a escala e, em seguida, gira a escala colocando em zero a posição do ponteiro do indicador.
Leia a temperatura no multímetro (Ti). Em seguida, acenda a lamparina (ou bico de Bunsen)
e posicione o fogo bem próximo do recipiente de água.
Método 1. Observar o deslocamento do ponteiro do micrometro. Quando o aquecimento do tubo
esteja estabilizado depois de certo tempo anote o valor do deslocamento do ponteiro (isto equivale
ao valor da dilatação L) e a temperatura final que o sistema estabilizou (Tf). Então T=Tf –Ti.
Calcular o valor do coeficiente de expansão do tubo com os dados acima.
Método 2 (gráfico dos dados). Depois que o sistema estabilizou e realizado as medidas acima
(Método 1), retire a fonte de calor. O sistema começará a esfriar. Durante o esfriamento colete os
valores da resistência e do deslocamento do ponteiro do micrometro. (sugestão: de 5 em 5oC).
Faça um gráfico de L versus T. Da inclinação da reta encontrada calcular , o coeficiente de
expansão térmica do material.
Portanto, os valores de T, L e Lo conhecidos, servirão para determinar o valor de para cada
material na respectiva faixa de temperatura (temperaturaambiente até 100 oC).
Compare os valores de α obtidos pelo método 1, método 2 e valor fornecido na literatura,
para cada material.
Tabela 1: Dados obtidos
Tabela 2. Valores do coeficiente de dilatação térmica dos materiais analisados
FÍSICA II
Atividade experimental ____– ESPELHOS PLANOS
Professor: Robson Florentino de Lima
FÍSICA II
Atividade experimental ____– ESPELHOS ESFÉRICOS
Professor: Robson Florentino de Lima
OBJETIVOS
a) Diferenciar espelhos côncavos de convexos;
b) Medir a distância focal de um espelho côncavo pelo método da ampliação.
TEORIA BÁSICA
É conveniente, em Óptica Geométrica, estudar as propagações luminosas em termos de raios de
luz. Os raios são representados por linhas retas na direção em que a luz se propaga. Um objeto luminoso
extenso pode ser considerado como um conjunto de pontos separados. Cada ponto do objeto emitirá
raios luminosos em todas as direções e em linha reta.
Quando um raio luminoso é refletido em uma superfície polida, o ângulo de incidência é igual
ao ângulo de reflexão, considerados em relação à normal. Se a superfície refletora for plana, o espelho é
denominado plano. Se a superfície refletora for curva, esférica por exemplo, o espelho é denominado
côncavo quando a parte espelhada está na face interna da curvatura; se na face externa, o espelho é
denominadoconvexo. O centro de curvatura C é o centro da esfera e o raio decurvatura R, o raio desta
esfera. A linha queune o vértice V e o centro de curvatura é denominada eixo principal. Tendo em conta
a grande simplificação matemática, neste texto trata-se apenas de espelhos esféricos com pequena
abertura. Isso implica que apenas porções do espelho, ao redor do vértice V, são consideradas na
formação de imagens.
Um feixe de raios paralelos ao eixo principal reflete-se obedecendo à lei da reflexão,
convergindopara um ponto denominado foco, no caso do espelho côncavo; no convexo, o feixe parecerá
divergir de um ponto localizado atrás do espelho, como na figura 1. A distância do foco F ao vértice V é
chamada distância focal do espelho, sendo representada por f.
Figura 1 – Espelhos esféricos
a) côncavo
b) convexo
Existem regras práticas que permitem a construção da posição da imagem (p'), que pode se real
(formada pela intersecção de raios refletidos) ou virtual (formada pela intersecção dos prolongamentos
dos raios refletidos), a partir do conhecimento da posição do objeto (p) e da direção de incidência de
dois quaisquer dos três raios principais.
Os três raios principais de um espelho côncavo são:
1. Um raio paralelo ao eixo principal reflete-se passando pelo foco;
2. Um raio que passe pelo centro de curvatura é refletido sobre si mesmo;
3. Um raio que passe pelo foco reflete-se paralelamente ao eixo principal.
A figura 2 resume a aplicação destas regras práticasa espelhos côncavos e convexos, já que os raios
principais para estes últimos são semelhantes.
Figura 2 - Formação de imagens em espelhos esféricos
a) côncavo
b) convexo
A seguir apresenta-se um conjunto de equações que se aplicam a espelhos de pequena abertura e lentes
delgadas, e que permite determinar algebricamente:
a. distâncias focais (f);
b. distâncias do objeto (p) e imagem (p') ao espelho ou lente;
c. ampliação ou aumento linear (M);
d. tamanhos de objeto (O) e imagem (I).
A utilização das equações acima segue a seguinte convenção de sinais:
a) Todas as medidas são feitas a partir do vértice de um espelho, ou centro ótico de uma lente.
b) As medidas para determinar a posição de um objeto ou imagem, reais, são positivas.
c) As medidas que determinam a posição de um objeto ou imagem, virtuais, são negativas.
d) Um cálculo que fornece um resultado negativo implica em objeto ou imagem, virtuais, e resultado
positivo, objeto ou imagem reais.
e) A distância focal de um espelho côncavo e de uma lente convergente é sempre positiva; para um
espelho convexo e uma lente divergente, negativa.
f) O tamanho O de um objeto é sempre um número positivo; o tamanho da imagem será positivo se esta
for direita (virtual) e negativa se for invertida (real).
g) Os raios de curvatura das lentes serão positivos, se dentro da concavidade houver material da lente;
caso contrário, negativos.
ATabela 1 resume o exposto. Examine-a cuidadosamente para se familiarizar com as medidas que serão
feitas no laboratório.
ESQUEMA
PROCEDIMENTO
ATENÇÃO: NÃO TENTE LIMPAR, NEM TOQUE NA PARTE ESPELHADA COM OS
DEDOS.
Espelho côncavo, método da ampliação
1. Coloque o espelho côncavo A (ou A’) sobre o trilho, conforme o esquema que representa a vista
superior da montagem, constituindo o banco ótico.
2. Ligue a lâmpada e verifique se o feixe luminoso está paralelo ao trilho. Desloque o espelho sobre o
trilho, até obter a imagem do objeto (letra F) sobre o anteparo colocado numa posição arbitrária,
perpendicular ao trilho óptico.
3. Meça p, I e O. Não é necessário medir p’. Anote na Tabela I do relatório. Utilize a equação (5) para
calcular f. Preste atenção ao sinal de M, que dependerá do sinal atribuído a I.
4. Faça um conjunto de medidas, tomando valores de p e p’ tão diferentes quanto possível, completando
a tabela. Dica: é mais fácil arbitrar a posição do anteparo e tentar focalizar a imagem sobre ele.
RELAÇÃO DO MATERIAL
01 fonte luminosa.
01 trilho de ferro fundido com escala milimetrada e L = 150cm.
01 placa metálica laqueada de branco.
04 suportes metálicos para trilho tipo “ V ”.
01 lâmina 8 x 8 cm com entalhe de “ F ” (objeto).
01 espelho côncavo A com f = 250 mm.
QUESTIONÁRIO
1.a. Calcule o valor médio da distância focal do espelho côncavo com os dados da Tabela I. Calcule oerro percentual em relação ao valor nominal, anotado no espelho.
1.b. Explique como variam o tamanho (I ) e a posição (p’) da imagem à medida que o espelho côncavo
se afasta do objeto (veja tabela I).
2.a. Faça o gráfico de 1 / p’ em função de 1 / p com os dados da Tabela I.
2.b. Calcule os coeficientes angular e linear da reta obtida e, a partir deles, calcule f. Mostre seus
cálculos.
2.c. Calcule o erro percentual de f em relação ao valor nominal.
FÍSICA II
Atividade experimental ____ – LENTES DELGADAS
Professor: Robson Florentino de Lima
OBJETIVOS
a) Identificar os diversos tipos de lentes;
b) Medir a distância focal de lentes convergentes pelos métodos gráfico;
Lente é um meio transparente limitado por duas superfícies curvas. A forma mais comum de
lentes são aquelas de faces esféricas, ou uma face plana e outra esférica.
Para efeito de classificação, pode-se dividir as lentes em dois grupos: as lentes convergentes e as
divergentes. As lentes convergentes são mais espessas na parte central, ao passo que as divergentes o são
nas bordas. O centro de curvatura C 1 é o centro da esfera de raio R1 que origina uma face da lente; o
centro C2 é o centro da esfera de raio R2 que origina a outra face da lente. A linha que une os dois centros
de curvatura denomina-se eixo principal.
Uma importante simplificação no tratamento matemático das lentes é abstrair sua espessura.
Com este propósito,cria-se a figura da lente delgada, isto é, uma lente cuja espessura pode ser
desprezada para todas as finalidades de formação de imagem.
Um feixe de raios paralelos ao eixo principal, incidindo numa lente convergente, refrata-se,
convergindo para um ponto denominado foco F. A distância do centro geométrico da lente ao foco é a
distância focal f da lente. Se o feixe incidir numa lente divergente, o feixe se refrata, divergindo de um
ponto localizado no mesmo lado do feixe incidente, formando o foco virtual, como está esquematizado
na figura 1.
Figura 1 - Lentes delgadas
a) convergente
b) divergente
Conhecendo-se o tamanho (O) e a distância (p) de um objeto em relação a uma lente, e a direção
de incidência de dois dos três raios principais, pode-se determinar graficamente o tamanho (I) e a
distância (p') da imagem, tal como foi feito para os espelhos.
Os três raios principais de uma lente convergente são (figura 2):
1. Um raio paralelo ao eixo principal refrata-se na lente passando pelo foco;
2. Um raio que passe pelo centro geométrico não sofre desvio (porque a lente é delgada e o centro
geométrico coincide com o centro ótico);
3. Um raio que passe pelo foco refrata-se na lente e sai paralelamente ao eixo principal.
Figura 2 – Raios principais
a) lente convergente
b) lente divergente
Para lentes, a " equação dos fabricantes de lentes " relaciona f com os raios de curvatura e oíndice de refração da lente com o meio que a envolve, sendo n = n2 / n1, onde n2 é o índice de refração do
material da lente e n1 o índice de refração do meio que a envolve (O AR EM NOSSO CASO).
A utilização das equações acima segue a seguinte convenção de sinais:
a) Todas as medidas são feitas a partir do vértice de um espelho, ou centro ótico de uma lente.
b) As medidas para determinar a posição de um objeto ou imagem, reais, são positivas.
c) As medidas que determinam a posição de um objeto ou imagem, virtuais, são negativas.
d) Um cálculo que fornece um resultado negativo implica em objeto ou imagem, virtuais, e resultado
positivo, objeto ou imagem reais.
e) A distância focal de um espelho côncavo e de uma lente convergente é sempre positiva; para um
espelho convexo e uma lente divergente, negativa.
f) O tamanho O de um objeto é sempre um número positivo; o tamanho da imagem será positivo se esta
for direita (virtual) e negativa se for invertida (real).
g) Os raios de curvatura das lentes serão positivos, se dentro da concavidade houver material da lente;
caso contrário, negativos.
A Tabela 1 resume o exposto. Examine-a cuidadosamente para se familiarizar com as medidas que serão
feitas no laboratório.
PROCEDIMENTO
ATENÇÃO: NÃO TENTE LIMPAR, NEM TOQUE NA PARTE ESPELHADA COM OS
DEDOS.
Lente convergente, método gráfico
1. Substitua o espelho pela lente convergente B (ou B’). Naoutra extremidade do trilho coloque o
anteparo.
2. Desloque a lente até obter imagem nítida projetada no anteparo. Procure focalizar a parte central do
objeto, para atenuar os problemas de aberração da lente. Leia p e p’ sobre a escala do trilho. Anote na
Tabela II.
3. Aproxime um pouco o anteparo no sentido da lente. Ajuste a posição da lente de modo a focalizar
novamente o objeto. Meça p e p’. Prossiga até completar a tabela.
RELAÇÃO DO MATERIAL
01 fonte luminosa.
01 trilho de ferro fundido com escala milimetrada e L = 150 cm.
01 placa metálica laqueada de branco.
04 suportes metálicos para trilho tipo “ V ”.
01 lâmina 8 x 8 cm com entalhe de “ F ” (objeto).
01 lente convergente B com f = 20 cm ou B’ com f = 15 cm.
01 lente convergente C com f = 15 cm ou C’ com f = 20 cm.
03 suportes metálicos de lentes.
QUESTIONÁRIO
1.a. Calcule o valor médio da distância focal da lente convergente com os dados da Tabela II. Calcule o
erro percentual em relação ao valor nominal, anotado na lente.
1.b. Explique como variam o tamanho (I ) e a posição (p’) da imagem à medida que a lente convergente
se afasta do objeto (veja tabela II).
2.a. Faça o gráfico de 1 / p’ em função de 1 / p com os dados da Tabela II.
2.b. Calcule os coeficientes angular e linear da reta obtida e, a partir deles, calcule f. Mostre seus
cálculos.
2.c. Calcule o erro percentual de f em relação ao valor nominal.