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Interfereˆncia e Difrac¸a˜o da Luz Estrutura da mate´ria 1 ; Turma 2 . Alunos: Pedro Ventura Paraguassu´ , Juan B.de.S.Leite e Victor de Jesus Valada˜o UERJ-IFADT-DFNAE CONTEU´DO ii Conteu´do 1 Introduc¸a˜o iii 1.1 Interfereˆncia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii 1.2 Difrac¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv 2 Experimentos v 2.1 Instrumental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v 2.2 Interfereˆncia da fenda dupla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi 2.2.1 Procedimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi 2.2.2 Ana´lise dos dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi 2.3 Difrac¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii 2.3.1 Procedimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii 2.3.2 Ana´lise dos dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii 2.4 Espessura do Cabelo do Victor de Jesus . . . . . . . . . . . . . . . ix 2.4.1 Procedimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix 2.4.2 Ana´lise dos dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix 2.5 Fendas Mu´ltiplas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x 2.5.1 Procedimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x 2.5.2 Discussa˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x 2.6 Rede de difrac¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii 2.6.1 Procedimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii 2.6.2 Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii 3 Questo˜es e Considerac¸o˜es xiii 4 Conclusa˜o xiv 5 Referencias xiv 6 Bibliografia xiv 7 Apeˆndice 1 : Programas xv 7.1 Programa 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv 7.2 Programa 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvi 7.3 Programa 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvi 1 INTRODUC¸A˜O iii 1 Introduc¸a˜o A natureza ondulato´ria da luz teve inicio com Huygens , que tinha como oposic¸a˜o Newton e sua teoria corpuscular. O experimento de Young[1] acabou servindo de base experimental para a teoria ondulato´ria. O experimento realizado no laborato´rio e´ dividido em duas partes, a primeira parte e´ sobre a interfereˆncia de fenda dupla , que foi o experimento feito por Young. Enquanto a segunda parte e´ o experimento do fenoˆmeno da difrac¸a˜o que foi visto pela primeira vez por Grimaldi [2] 1.1 Interfereˆncia No experimento de interfereˆncia por fendas duplas, dada a natureza ondulato´ria da luz, podemos observar que ao se incidir ondas planas sobre as fendas (de tamanho compara´vel ao comprimento de onda da luz), geramos ondas esfe´ricas. Podemos observar em um anteparo a` uma distaˆncia “D”, um padra˜o, caracterizado por inter- fereˆncias construtivas e destrutivas devido a uma defasagem gerada pela distaˆncia “d” entre as fendas. Assim, podemos medir a distancia “∆y” entre dois ma´ximos consecutivos, dado que essa distaˆncia e´ determinada por um aˆngulo de defasagem espec´ıfico e em um limite onde “D >> d”, podemos chegar a` seguinte relac¸a˜o: λ = ∆yd D (1) Onde, para diminuir erros associados a` medida “∆y” podemos medir a distan- cia entre mais de um intervalo entre ma´ximos, fazendo assim, uma medida de 4 maximos, temos. ∆y = L 4 (2) σy = σL 4 (3) Temos que : λ = Ld 4D (4) 1 INTRODUC¸A˜O iv 1.2 Difrac¸a˜o No experimento da difrac¸a˜o por uma fenda de largura “a”, dada a natureza on- dulato´ria da luz, podemos pensar numa fenda larga, como uma fenda dupla sem o bloqueio central, dessa forma tratamos esse fenoˆmeno como um caso particular da interfereˆncia. Podemos observar em um anteparo a` uma distaˆncia “D”, um padra˜o, semelhante ao de interfereˆncia e destrutivas devido a uma defasagem ge- rada pela a ponta da fenda e seu interior, que na˜o sofreu efeito nenhum. Para quantificar a defasagem podemos dividir a fenda em inu´meras fendas menores, com um processo repetitivo conseguimos obter uma relac¸a˜o entre os mı´nimos de difrac¸a˜o, podendo assim, associar essa relac¸a˜o a um defasagem espec´ıfico e em um limite onde “D >> d”, podemos chegar a` seguinte relac¸a˜o: a = λD ∆y (5) Onde, “∆y” e´ a distaˆncia do ma´ximo central ate´ o primeiro mı´nimo, como o padra˜o de difrac¸a˜o e´ sime´trico podemos medir a distancia entre 2 mı´nimos, contornando problemas de localizac¸a˜o do ma´ximo central. ∆y = L 2 (6) σy = σL 2 (7) Temos que: a = 2λD ∆y (8) Figura 1: Fenoˆmeno da difrac¸a˜o 2 EXPERIMENTOS v 2 Experimentos 2.1 Instrumental Para o experimento da Fenda Dupla usamos : • Fonte LASER (figura 1a) • Suportes (figura 1a) • Anteparo (folha branca) (figura 1a) • Fenda dupla (figura 1b) • Fonte incandescente de luz • Re´gua • Trena • Fendas para difrac¸a˜o (figura 1b) • Rede de difrac¸a˜o (figura 1b) • Fio de cabelo do Victor de Jesus • Banco O´ptico (figura 1 b) (a) Bancadae etc (b) Fendas e etc Figura 2: Materiais Utilizados 2 EXPERIMENTOS vi 2.2 Interfereˆncia da fenda dupla 2.2.1 Procedimento 1. Ajustamos o feixe monocroma´tico da forma mais fina poss´ıvel, a fim de mi- nimizar erros sistema´ticos, resultando em um padra˜o de interfereˆncia n´ıtido no anteparo. 2. Ajustamos a distaˆncia entre o anteparo e a fenda, afim de tornar mensura´vel a distancia L (distancia entre 5 ma´ximos consecutivos, equivalente a 4∆y). 3. Realizamos a medida. 4. Repetimos os passos 1, 2 e 3 para os outros conjuntos de fendas duplas, tomando nota dos valores de refereˆncia. 2.2.2 Ana´lise dos dados Na tabela abaixo esta˜o os valores de refereˆncia e a medida do comprimento L paras os 4 conjuntos de fendas Medidas A B C D Largura (mm) 0,04 0,04 0,08 0,08 Distancia entre as fendas (mm) 0,25 0,5 0,25 0,5 L (cm) 1 0,5 1 0,5 Usando os resultados obtidos no item 1.1 em conjunto com o programa 1 ob- temos os seguintes dados: Medidas A B C D λ (mm) 629,4 629,4 629,4 629,4 σλ (mm) 31,4 62,9 31,4 62,9 Fazendo uma pequena ana´lise e´ poss´ıvel obter um valor me´dio e um desvio padra˜o da media dados por: λ¯ = 629, 4 nm ; σλ¯ = 99.4 nm Ana´lise da compatibilidade: Sendo λref = 632, 8 nm o valor de referencia , Temos: |λref − λ| σλ = 0, 034 < 2,Portanto compativel (9) 2 EXPERIMENTOS vii 2.3 Difrac¸a˜o 2.3.1 Procedimento 1. Ajustamos o feixe monocroma´tico da forma mais fina poss´ıvel para obter um padra˜o de difrac¸a˜o n´ıtido no anteparo. 2. Ajustamos a distaˆncia entre o anteparo e a fenda, afim de tornar mensura´vel a distancia L (distancia entre 2 mı´nimos consecutivos, equivalente a 2∆y). 3. Realizamos a medida. 4. Repetimos os passos 1, 2 e 3 para os outros conjuntos de fendas largas, tomando nota dos valores de refereˆncia. 2.3.2 Ana´lise dos dados Na tabela abaixo esta˜o os valores de refereˆncia e a medida do comprimento L paras as 4 fendas largas Medidas A B C D Largura a (mm) 0,02 0,04 0,08 0,16 L (cm) 6,4 3 1,6 0,9 Valor de Referencia: Sendo λref = 632, 8 nm Usando os resultados obtidos no item 1.2 em conjunto com o programa 2 ob- temos os seguintes dados: Medidas A B C D a (µm) 19,6 41,9 78,5 139,6 σa (µm) 0,153 0,698 2,45 7,75 Ana´lise da compatibilidade: A) |aref − a| σa = 2, 614 > 2,→ Inconclusivo (10) 2 EXPERIMENTOS viii B) |aref − a| σa = 2, 722 > 2,→ Inconclusivo (11) C) |aref − a| σa = 0, 612 < 2,→ Compat´ıvel (12) D) |aref − a| σa = 2, 632 > 2,→ Inconclusivo (13) Vemos que D na˜o possui erros sistema´ticos , pore´m quanto a ∆y pode possuir . Isso se deve aos fatores que na˜o foram considerados na hora de calcula-lo , que sa˜o: - A espessura do grafite da lapiseira era compara´vel a marcac¸a˜o da re´gua.- A determinac¸a˜o dos mı´nimos ser aproximada. Valor da experiencia: Agora vamos usar o valor de λ medido na experiencia de fenda dupla. λ¯ = 629, 4 nm ; σλ¯ = 99.4 nm Usando os resultados obtidos no item 1.2 em conjunto com o programa 2 ob- temos os seguintes dados: Medidas A B C D a (µm) 19,6 41,6 78,12 138,88 σa (µm ) 3,08 6,61 12,57 23,25 Ana´lise da compatibilidade: A) |aref − a| σa = 0, 162 < 2,→ Compat´ıvel (14) 2 EXPERIMENTOS ix B) |aref − a| σa = 0, 242 < 2,→ Compat´ıvel (15) C) |aref − a| σa = 0, 149 < 2,→ Compat´ıvel (16) D) |aref − a| σa = 0, 908 < 2,→ Compat´ıvel (17) Vemos que ao utilizar-mos a medida obtida experimentalmente e que possui um erro associado, os erros sistema´ticos sa˜o encobertos com o erro experimental do lambda, tornando as medidas compat´ıveis 2.4 Espessura do Cabelo do Victor de Jesus 2.4.1 Procedimento 1. Ajustamos o feixe monocroma´tico da para obter um padra˜o de difrac¸a˜o n´ıtido no anteparo, o que demanda certo esforc¸o, por ser dif´ıcil localizar correta- mente o fio de cabelo. 2. Ajustamos a distaˆncia entre o anteparo e a fenda, a fim de tornar mensura´vel a distancia L ana´loga a` medida de Difrac¸a˜o (distancia entre 2 mı´nimos con- secutivos, equivalente a 2∆y). 3. Realizamos a medida. 2.4.2 Ana´lise dos dados O valor medido de L foi 1,7 cm. Valor de Referencia: Sendo λref = 632,8 nm Usando os resultados obtidos no item 1.2 em conjunto com o programa 2 temos: a = 73, 9µm ; σa = 2, 1µm 2 EXPERIMENTOS x Valor da experiencia: Agora vamos usar o valor de λ medido na experiencia de fenda dupla. λ¯ = 629, 4 nm ; σλ¯ = 99.4 nm Usando os resultados obtidos no item 1.2 em conjunto com o programa 2 temos: a = 73, 5µm ; σa = 11, 8µm Vemos que o erro associado ao se utilizar o valor da experiencia e´ bem maior se comparado ao do valor de referencia. 2.5 Fendas Mu´ltiplas 2.5.1 Procedimento • Utilizando uma rede de fendas mu´ltiplas foi poss´ıvel se discutir resultados qualitativos comparativos da mesma fonte de luz monocroma´tica, passando entre 2,3,4 e 5 fendas igualmente espac¸adas. 2.5.2 Discussa˜o Abaixo esta´ a tabela de dados de refereˆncia: Tabela 1: My caption A B C D Nu´mero de Fendas 2 3 4 5 Largura (mm) 0,04 0,04 0,04 0,04 Separac¸a˜o das fendas(mm) 0,125 0,125 0,125 0,125 Na˜o deixaremos de observar que as fendas so´ diferem em nu´mero, a largura das fendas e a separac¸a˜o entre elas sa˜o mantidas fixas, enta˜o todos os efeitos observados sera˜o devidos unicamente ao fato de acrescentarmos uma fenda ao conjunto anterior. A) T´ıpico padra˜o de fendas duplas, um conjunto de ma´ximos e mı´nimos centrais com intensidade muito maior do que os conjuntos adjacentes. B) Pudemos observar um estreitamento na largura dos ma´ximos devido ao apa- recimento de ma´ximos secunda´rios de intensidade mais baixa, como outro padra˜o de interfereˆncia dentro de anterior. 2 EXPERIMENTOS xi C) Novamente observamos uma nova classe de ma´ximos formada entre os ma´ximos anteriores, subdividindo e estreitando os ma´ximos obtidos po´ fendas duplas, pore´m dessa os novos ma´ximos criados sa˜o ainda menos intensos. D) Como esperado observamos o fenoˆmeno de criac¸a˜o de ma´ximos agora de quarta ordem. Descrever quantitativamente este fenoˆmeno nos parece uma tarefa extremamente complicada, porque alem da complexidade da interfereˆncia causada por todas as fendas juntas (pensadas pelo princ´ıpio de Huygens como novas fontes de onda), temos o problema da mistura do fenoˆmeno de interfereˆncia com o de difrac¸a˜o, pois as fendas em uma largura compara´vel ao comprimento de onda do feixe. Pore´m qualitativamente, podemos imaginar que quanto maior o nu´mero de fendas, mais famı´lias de ma´ximos sera˜o criadas, subdividindo cada vez mais os ma´ximos principais provocando cada vez mais um estreitamento, na˜o se esque- cendo do fato de que cada ma´ximo tem intensidade mais baixa que o anterior. Enta˜o imaginando em um limite de um nu´mero aprecia´vel de fendas, pode-se es- perar que a largura dos ma´ximos secunda´rios se estreitasse a ponto de formar uma espe´cie de banda, em um determinado aˆngulo onde as interfereˆncias sa˜o puramente construtivas. Isso pode ser observado numa rede de difrac¸a˜o, onde esse aˆngulo de- pende basicamente do comprimento de onda da fonte, por isso as redes de difrac¸a˜o sa˜o utilizadas para separar fontes policroma´ticas em bandas. 2 EXPERIMENTOS xii 2.6 Rede de difrac¸a˜o 2.6.1 Procedimento 1. Trocamos a fonte LASER monocroma´tica, por uma fonte de luz branca. 2. Ajustamos uma fenda na sa´ıda da luz branca a fim de colimar o feixe antes de passar pela rede de difrac¸a˜o. 3. Ajustamos a distaˆncia entre o anteparo e a rede, a fim de tornar mensura´vel a distancia L entre o ma´ximo e as cores desejadas (distancia entre 2 ma´ximos consecutivos, equivalente a um ∆y). 4. Realizamos a medida. 2.6.2 Dados Com os valores medidos dos intervalos de cores no anteparo “d”, podemos enta˜o com a discussa˜o 1.1 junto ao programa 3 obter a seguinte tabela de dados. Pore´m nesse experimento a distancia y e´ compara´vel a distancia D, logo a relac¸a˜o para lambda sera´ escrita na forma: λ = d√ 1+(D y )2 Cores: Dados (cm) Intervalo Medido:(nm) Valor de Referencia:(nm) Violeta 3,5—4,6 404.226 — 520.225 390 - 455 Azul 4,6—5,8 520.225 — 637.901 455 - 492 Verde 5,8—6,5 637.901 — 701.852 492 - 577 Amarelo 6,5—7,15 701.852 — 758.051 577 - 597 Laranja 7,15—7,55 758.051 — 791.104 597 - 622 Vermelho 7,55—8,2 791.104 — 842.339 622 - 780 As poss´ıveis explicac¸o˜es para a diferenc¸a ente os valores esta˜o listadas abaixo 1. O colimador na˜o era estreito suficiente, de forma a na˜o ter uma separac¸a˜o bem definida das cores. 2. Erro humano, as fronteiras das cores devido a 1. eram muito subje- tivas, havendo discordaˆncia entre os membros do grupo. 3. Devido a 2. houve erro na medida dos intervalos das cores 4. Assim como, na difrac¸a˜o a grossura do grafite era compara´vel com a marcac¸a˜o da re´gua Enta˜o, considerando que estamos calculados grandezas na ordem de nanome- tros, todo o cuidado e´ necessa´rio. 3 QUESTO˜ES E CONSIDERAC¸O˜ES xiii 3 Questo˜es e Considerac¸o˜es O experimento poderia ser feito caso a luz fosse composta de part´ıculas ao inve´s de ondas eletromagne´ticas? Se luz fosse puramente corpuscular, na˜o observar´ıamos esse fenoˆmeno, pois ela atravessaria a fenda sem nenhuma interac¸a˜o com os “raios” luminosos pro´ximos, ou seja, o que no´s vir´ıamos seriam duas franjas simples sepa- radas pela mesma distancia “d” entre as fendas. Quando a largura das fendas e a distancia entre elas na˜o e´ compara´vel ao comprimento de onda delas, o aspecto ondulato´rio da luz e´ mascarado e e´ oque vemos no dia a dia, luz em propagac¸a˜o retil´ınea com caracter´ısticas corpusculares. Quais situac¸o˜es cotidianas se observa o fenoˆmeno da difrac¸a˜o? No arco-´ıris e tambe´m no escoamento de a´gua com uma fina camada de o´leo superficial, podemos observar a abertura do espectro vis´ıvel em todas as suas componentes. No caso das fendas mu´ltiplas procure entender se os efeitos observados sa˜o compat´ıveis com as predic¸o˜es teo´ricas. Como visto na discussa˜o de fendas duplas, podemos es- tender a discussa˜o incluindo 3,4, 5,... n fendas. Para 2+1 fendas e´ mais fa´cil imaginar que a existeˆncia de uma nova fenda, iria gerar 3 padro˜es de 2 fendas superpostos, assim gerando ma´ximos secunda´rios entre os mı´nimos do padra˜o an- terior. Estendendo essa discussa˜o, podemos pensar que quanto maior o numero de fendas mais estreitas seriam os ma´ximos, pois entre eles existiria um outro padra˜o de interfereˆncia gerando outro ma´ximo secunda´rio. Nas figuras de difrac¸a˜o por mu´ltiplas fendas, explique porque a intensidade de alguns ma´ximos principais sa˜o maiores do quea de outros. Explique o aparecimento, nestas figuras, de ma´ximos secunda´rios Porque apesar do fenoˆmeno ser tratado apenas como interfereˆncia simples, cada uma das fendas tem uma largura o que gera para cada uma delas um fenoˆmeno de difrac¸a˜o, enta˜o no fundo oque temos e´ uma combinac¸a˜o desses dois fenoˆmenos que gera uma distribuic¸a˜o de intensidades na forma de interfereˆncia com um involucro de difrac¸a˜o, combinando caracter´ıstica dos dois. Qual a vantagem de utilizarmos as redes de difrac¸a˜o? Na aplicac¸a˜o sobre uma luz monocroma´tica, na˜o ha´ muita discussa˜o sobre isso, porque poder´ıamos pensar na rede, como um conjunto muito grande de fendas mu´ltiplas, oque nos proporcionaria um efeito de maximizac¸a˜o de um ma´ximo espec´ıfico ao comprimento de onda da luz e a destruic¸a˜o de todos os outros (obviamente pensando num numero muito grande de fendas). Ja´ para luz branca, ou qualquer fonte policroma´tica, podemos separar a luz em suas componentes, podendo ser aplicado ao estudo de espectroscopia. 4 CONCLUSA˜O xiv 4 Conclusa˜o A teoria ondulato´ria da luz foi capaz de explicar fenoˆmenos f´ısicos que a teoria corpuscular na˜o poderia. Teorias como as de Huygens, explicaram a natureza da difrac¸a˜o e interfereˆncia com o formalismo exigido para convencer os ce´ticos (New- ton) de vez sobre essa natureza da luz.O nosso estudo foi baseado na interfereˆncia e difrac¸a˜o, que ale´m da teoria nos apresentou tambe´m poss´ıveis aplicac¸o˜es, como por exemplo a medic¸a˜o da espessura de um fio de cabelo e a medic¸a˜o do compri- mento de onda de uma fonte monocroma´tica.Nem tudo foi perfeito,como tudo na vida, pore´m tivemos resultados compat´ıveis com a teoria.O que mostra que ao se lidar com a luz,algo ta˜o fudamental e sens´ıvel, qualquer descuido pode refletir no resultado.Ainda sim, a meta foi cumprida e das palavras de Vitor Hugo “Do atrito de duas pedras chispam fa´ıscas; das fa´ıscas vem o fogo; do fogo brota a luz.” sendo a luz o conhecimento adquirido. 5 Referencias [1] - Moura, Breno Arsioli, and Sergio Luiz Bragatto Boss. ”Thomas Young e o resgate da teoria ondulato´ria da luz: Uma traduc¸a˜o comentada de sua Teoria Sobre Luz e Cores.”Caderno Brasileiro de Ensino de F´ısica 37.4 (2015). [2] - Francesco Maria Grimaldi, Physico mathesis de lumine, coloribus, et iride, aliisque annexis libri duo (Bologna (”Bonomia”), Italy: Vittorio Bonati, 1665) 6 Bibliografia • Caruso, Francisco, and Vitor Oguri. F´ısica moderna. Elsevier, 2006. • SANTORO, Alberto, V. Oguri, and J. R. Mahon. ”Estimativas e erros em experimentos de f´ısica.”Rio de Janeiro: Editora (2008). 7 APEˆNDICE 1 : PROGRAMAS xv 7 Apeˆndice 1 : Programas Co´digo dos programas utilizados 7.1 Programa 1 #include<stdio> #include<stdlib> #include<math.h> using namespace std; int main(){ double ld,d,D,y,l,sl,sld,sd; cout << ”Digite o valor de y,d”<< endl; D = 99.3*pow(10,-2); cin >> y >> d ; l = (y/4)*pow(10,-2); ld = l*(d*pow(10,-6)/D); cout << ”lamda = ”<< ld << endl; sl = 1.25*pow(10,-4); sd = 5*pow(10,-5); sld = ld*sqrt( pow((sl/l),2) + pow((sd/d),2) ); cout << ”erro de lambda = ”<< sld << endl; } 7 APEˆNDICE 1 : PROGRAMAS xvi 7.2 Programa 2 #include<stdio> #include<stdlib> #include<math> using namespace std; int main(){ void calc2(){ double ld,D,y,sa,sD,sy,a,sld; cout << ”Digite o valor de y”<< endl; D = 99.3*pow(10,-2); ld = 629.4*pow(10,-9); sld = 99.4*pow(10,-9); cin >> y ; a = 2*ld*(D/(y/100)); cout << ”a = ”<< a << endl; sy = 5*pow(10,-4); sD = 5*pow(10,-4); sa = a*sqrt(pow((sy/(y/100)),2) + pow((sD/D),2)+ pow((sld/ld),2)); cout << ”erro de a = ”<< sa << endl; } } 7.3 Programa 3 #include <iostream> #include <math.h> using namespace std; int main() 7 APEˆNDICE 1 : PROGRAMAS xvii { float d,D,y,l,k; int continuacao; continuacao=1; if (continuacao!=1) { return 0; } if (continuacao==1) { while (continuacao==1) { cout<<”Insira y, em cm \n”; cin>>y; d=1666.666666666; D=14; k=D/y; l=d/(sqrt( (k*k) + 1)); cout<<”l= ”<<l<<”nm \n”; cout<<”\n\nDeseja usar novamente? Sim=(1) Nao=(0)\n\n”; cin>>continuacao; } } }
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