Relatório Física IV Experimento 1

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Universidade Federal da Bahia
INSTITUTO DE FÍSICA
Departamento de FÍSICA GERAL
RELATÓRIO DE ATIVIDADE PRÁTICA: LENTES E INSTRUMENTOS ÓTICOS
Danilo dos Reis Brito
João Marcelo Ramos da Rocha
Murilo Simões Alves
Relatório de atividade prática apresentado a disciplina FIS 124 – Física Geral e Experimental IV Experimental.
Professora: Maria das Graças
Turma: P16.
Salvador, Julho de 2017
Resumo
Uma lente é um objeto transparente que refrata os raios luminosos duas vezes. Uma lupa é um instrumento óptico munido de uma lente com a capacidade de criar imagens virtuais ampliadas –é utilizada para observar com mais detalhes e facilidade pequenos objetos. Luneta, por sua vez, é um instrumento de observação à grande distância composto por uma associação de lentes separadas em um tubo delimitado. São úteis para a observação de astros (luneta astronômica) e da superfície terrestre (luneta terrestre). Com composição semelhante à delas, mas com o intuito de observar pequenos objetos em curta distância, são constituídos os microscópios – instrumentos óticos largamente utilizados no estudo e análise de microrganismos. 
O experimento 01, denominado lentes e instrumentos óticos, tem como objetivos construir e utilizar corretamente um microscópio composto, uma lupa e uma luneta; classificar as imagens formadas; determinar a posição das imagens formadas e determinar a ampliação fornecida pelos instrumentos. Com o auxílio de uma fonte de luz policromática, lentes, uma imagem e mais algumas outras ferramentas de apoio, foram montados 4 diferentes esquemas para o estudo e observação de instrumentos óticos, bem como das imagens geradas pelos menos. O experimento promete, ao seu fim, a validação e compreensão de alguns conceitos referentes à ótica geométrica, tais como: a Lei de Gauss para as lentes e o estabelecimento de uma relação entre o objeto, a lente e a imagem gerada.
Palavras chave: lente, imagem, instrumentos, luz
Abstract
A lens is a transparent object that refracts the light rays twice. A magnifying glass is an optical instrument equipped with a lens with the ability to create magnified virtual images - it is used to observe small objects more easily and easily. Lunette, on the other hand, is a long distance observation instrument composed of an association of separate lenses in a delimited tube. They are useful for the observation of astros (astronomical telescope) and of the terrestrial surface (lunette terrestrial). With a composition similar to theirs, but with the purpose of observing small objects in short distance, the microscopes are constituted - optical instruments widely used in the study and analysis of microorganisms. 
Experiment 01, called lenses and optical instruments, aims to construct and correctly use a compound microscope, a magnifying glass and a telescope; Classify the formed images; Determine the position of the formed images and determine the magnification provided by the instruments. With the help of a polychromatic light source, lenses, an image and a few other support tools, 4 different schemes were set up for the study and observation of optical instruments as well as the images generated at least. The experiment promises, at its end, the validation and understanding of some concepts related to geometric optics, such as: the Gauss Law for lenses and the establishment of a relationship between the object, the lens and the generated image. 
Keywords: lens, image, instruments, light
Introdução
Lentes Delgadas
Uma lente é um dispositivo homogêneo e transparente, no qual uma das superfícies é plana e a outra é esférica ou as duas são esféricas, que refrata os raios luminosos duas vezes, uma ao atravessar a lente e outra ao sair. Chamamos a lente de delgada quando sua espessura for desprezível em relação ao seu raio de curvatura.
Lupa
A lupa é um instrumento ótico constituído por uma lente convergente com distância focal na ordem de centímetros, capaz de conjugar uma imagem virtual, direta e maior que o objeto. Quando é presa a um suporte recebe a denominação de microscópio simples.
Luneta
“Lunetas são instrumentos de observação a grandes distâncias, sendo úteis para observação de astros (luneta astronômica) ou para observação da superfície terrestre (luneta terrestre).
Uma luneta é basicamente montada da mesma forma que um microscópio composto, com objetiva e ocular, no entanto a objetiva da luneta tem distância focal na ordem de metros, sendo capaz de observar objetos afastados.”
(Retirado de Só Física – 07/07/2017 – 16:35 http://www.sofisica.com.br/conteudos/Otica/Instrumentosoticos/lunetas.php)
(Figura 1.0 – Diagrama representativo da Luneta – Disponível em “http://www.fis.ufba.br/sites/fis.ufba.br/files/exp1_0.pdf” – 07/07/2017 – 16:53)
Microscópio Composto
O Microscópio Composto é um instrumento para a ampliação de pequenos objetos, que consiste de uma lente convergente de comprimento focal curto para a formação de uma imagem que é ainda mais ampliado por uma segunda lente também convergente de distância focal mais longa. 
Chamamos de lente objetiva, do microscópio, a lente convergente que está instalada próxima ao objeto ou ao corpo a ser observado. Já a lente que está mais próxima do olho do observador é chamada de lente ocular. A distância focal da lente objetiva é da ordem de milímetros, já a distância focal da lente ocular é da ordem de centímetros.
(Figura 1.1 – Diagrama representativo do Microscópio – Disponível em “http://www.fis.ufba.br/sites/fis.ufba.br/files/exp1_0.pdf” – 07/07/2017 – 16:53)
Objetivo
•Construir e utilizar corretamente um microscópio composto, uma lupa, uma luneta astronômica e uma luneta terrestre;
• Classificar as imagens formadas;
• Determinar a posição das imagens formadas; 
• Determinar a ampliação fornecida por estes instrumentos óticos.
Metodologia
Materiais necessários
1 base principal com escala milimetrada e sapatas niveladoras; 
1 lanterna de luz policromática; 
1 lente convergente 8 di (f = 125 mm); 
1 lente convergente 4 di (f = 250 mm); 
1 figura objeto com moldura e fixação magnética; 
1 cavaleiro com moldura para figura objeto; 
2 cavaleiros metálicos para as lentes; 
1 anteparo.
Procedimento Experimental
A relação entre o objeto, a lente e a imagem gerada pela lente
• Posicione a lanterna de luz policromática sobre o barramento, com a parte frontal alinhada na marca 890 mm da escala I (escala superior);
• A lente plano convexa de 8 di (f = 125 mm) no cavaleiro magnético deve ser alinhada sobre a marca 500 mm da escala I;
• Posicione a figura objeto (diafragma com a letra “F”) com o cavaleiro magnético alinhado sobre a marca dos 800 mm da escala I. Ajuste a altura do slide no cavaleiro, caso necessário;
• Analise a imagem e realize os cálculos pedidos (Item 4.0 – Análise e tratamento de dados).
A lei de Gauss para as lentes
• Posicione o anteparo à direita da lente (do lado oposto ao da fonte) e deslize-o sobre a base até encontrar a melhor imagem (imagem focalizada). Anote essa posição e estime o erro da medida; 
• Analise a imagem e realize os cálculos pedidos (Item 4.0 – Análise e tratamento de dados).
A ampliação linear transversal de uma lente
• Meça com a régua o tamanho h do objeto utilizado;
• Meça o tamanho h’ da imagem formada no anteparo. Estime o erro das medidas;
• Calcule o valor da ampliação, tanto pela razão entre as alturas quanto pela relação entre as posições do objeto e da imagem. Compare os resultados, considerando as incertezas; 
• Analise a imagem e realize os cálculos pedidos (Item 4.0 – Análise e tratamento de dados);
• Repita o mesmo procedimento para as seguintes posições do objeto: 700mm, 675mm, 625mm e 570mm, analisando os resultados.
A lupa
• Desligue a fonte;
• Posicione os seguintes componentes nas posições indicadas na escala I do barramento (escala superior), conforme a figura 1.6: Lenteplano convexa de 8 di (f = 125 mm) na posição 400 mm. – Figura objeto na posição 300 mm; 
• Olhe diretamente através da lente e observe a imagem formada;
• Analise a imagem e realize os cálculos pedidos (Item 4.0 – Análise e tratamento de dados).
(Figura 3.0 – Montagem experimental da Lupa – Disponível em “http://www.fis.ufba.br/sites/fis.ufba.br/files/exp1_0.pdf” – 07/07/2017 – 16:53)
Lunetas
• Mantenha a lanterna desligada; 
• Posicione os seguintes componentes nas posições indicadas da escala I do barramento, como na figura 1.7: Lente 8 di (f = 125 mm) na posição 500 mm. – Lente 4 di (f = 250 mm) na posição 165 mm;
• Selecione um objeto distante para ser observado. • Afaste-se aproximadamente 300 mm da lente ocular, feche um olho e observe a imagem do objeto selecionado. Caso a imagem n˜ao seja visualizada com nitidez, afaste ou aproxime o rosto da lente ocular buscando uma melhor focalização;
• Analise a imagem e realize os cálculos pedidos (Item 4.0 – Análise e tratamento de dados).
(Figura 3.1 – Montagem experimental da Luneta – Disponível em “http://www.fis.ufba.br/sites/fis.ufba.br/files/exp1_0.pdf” – 07/07/2017 – 16:53)
Microscópio Composto
• Posicione os componentes a seguir nas posições indicadas da escala I do barramento (escala superior), conforme a figura 1.8: Lanterna policromática na posição 890 mm. – Lente plano convexa de 8 di (f = 125 mm) na posição 600 mm;
• Analise a imagem e realize os cálculos pedidos (Item 4.0 – Análise e tratamento de dados);
• Posicione a lente plano convexa de 4 di (f = 250 mm) na posição 200 mm;
• Analise a imagem e realize os cálculos pedidos (Item 4.0 – Análise e tratamento de dados).
• Coloque um papel na frente da figura objeto, de forma que ele funcione como filtro, reduzindo a luminosidade da lanterna que chegará ao olho do observador; 
• Posicione seu rosto rente à base principal a 300 mm da lente objetiva. Analise a imagem e realize os cálculos pedidos (Item 4.0 – Análise e tratamento de dados).
(Figura 3.2 – Montagem experimental do Microscópio Composto – Disponível em 
“http://www.fis.ufba.br/sites/fis.ufba.br/files/exp1_0.pdf” – 07/07/2017 – 16:53)
Análise e tratamento dos dados
4.1 A relação entre o objeto, a lente e a imagem gerada pela lente
• O objeto observado pode ser considerado real? Justifique.
Sim. Temos uma imagem nítida e clara projetada sobre o anteparo. Podemos afirmar que a lente concentrou os raios luminosos do lado oposto ao objeto. Temos, portanto, uma imagem real.
• Posição do anteparo e o erro da medida.
X=610 mm +- 0,5mm
• Calcule, pela lei de Gauss, o valor da posição da imagem e compare, considerando as incertezas, com o valor encontrado experimentalmente.
i=88.235mm
O valor experimental encontrado foi i=190mm, o dobro do teórico
• O tamanho h do objeto
h=22mm +-0,5mm
X=800mm
• O tamanho h’ da imagem formada
50mm
• O valor da ampliação
A=2,27
• A imagem obtida é real ou virtual? Direita ou invertida? Maior ou menor que o objeto?
Real, Invertida e maior.
X=700mm, 675mm, 625mm
• O tamanho h’ da imagem formada
30mm
• O valor da ampliação
A=1,36
• A imagem obtida é real ou virtual? Direita ou invertida? Maior ou menor que o objeto?
Real, Invertida e maior.
X=570mm
• O tamanho h’ da imagem formada
30mm
• O valor da ampliação
A=1,36
• A imagem obtida é real ou virtual? Direita ou invertida? Maior ou menor que o objeto?
Virtual, direta e menor
• Os resultados foram os esperados?
Sim. A partir da obtenção do ponto de mínima distância focal, a imagem passa a formar-se no infinito. O que é projetado no anteparo torna-se, então, uma imagem virtual, algo distante e diferente do objeto proposto.
4.2 A lupa
Com a fonte desligada, posicionamos os seguintes componentes no barramento:
- Lente plano convexa de 8 di (f = 125 mm) na posição 400 mm;
- Figura objeto na posição 300 mm.
Olhando diretamente através da lente foi possível observar a imagem ampliada, virtual e direita. Isto se explica porque o objeto real está dentro do ponto focal frontal (p < f).
Utilizando a equação de Gauss para lentes esféricas é possível encontrar a distância i entre a imagem e a lente:
Sabendo que f = 125 mm e p = (400 - 300) mm = 100 mm,
O resultado é esperado e compatível com o observado, pois o sinal negativo de i indica que a imagem está em frente à lente, ou seja, no lado da luz incidente.
O aumento linear transversal A é dado por:
Ou seja, a imagem tem o tamanho cinco vezes maior do que a da figura objeto. Deste modo, este é um resultado esperado e compatível com o observado.
Com estes dados é possível construir o diagrama representativo da lupa, conforme figura a seguir:
Figura 4: Diagrama representativo da lupa.
4.3 Lunetas
Ainda com a fonte desligada, posicionamos agora os seguintes componentes na escala do barramento:
- Lente 8 di (f = 125 mm) na posição 500 mm;
- Lente 4 di (f = 250 mm) na posição 165 mm.
Selecionamos então um objeto distante para ser observado. Assim, com um dos olhos fechado observamos a imagem do objeto selecionado (a aproximadamente 300 mm da lente ocular). Buscou-se então a melhor posição para visualizar a imagem com maior nitidez.
A imagem visualizada é dita virtual e invertida, pois a imagem formada (funciona como objeto) pela lente objetiva está localizada dentro do ponto focal frontal da lente ocular (p < f).
O aumento angular para a luneta é a grandeza adimensional G, dada por:
Onde fob é a distância focal da lente objetiva e foc a distância focal da lente ocular.
SERWAY, Raymond A; JEWETT, John W. Princípios de Física – Vol. IV: Óptica e Física Moderna. São Paulo, SP: Cengage Learning, 2004.
4.4 O microscópio composto
• Verifique a posição da projeção da imagem posicionando o anteparo `a direita da lente.
Compare com o valor calculado. Classifique a imagem.
Real, ampliada, invertida
• Calcule a ampliação fornecida pela objetiva e a altura da imagem conjugada, h01
A=2
• Construa o diagrama representativo do microscópio composto, traçando os raios da
lente objetiva.
Figura 5: Diagrama representativo do microscópio.
• Determine a ampliação fornecida pela ocular.
A ocular possui imagem virtual gerada, não conseguimos medir com instrumentos físicos como régua.
• Determine a ampliação total fornecida pelo microscópio.
Como a imagem gerada é uma virtual a partir da objetiva, podemos concluir que existe uma ampliação sucessiva, logo, A= 10.
• Trace os raios relativos `a lente ocular no diagrama construído anteriormente.
Pode-se obsevar na Figura 5.
• Coloque um papel na frente da figura objeto, de forma que ele funcione como filtro,
reduzindo a luminosidade da lanterna que chegará ao olho do observador.
Pode-se obsevar na Figura 5.
• Os valores encontrados são compatíveis com a imagem visualizada? Justifique sua
resposta.
Sim, os resultados estão coniventes com o modelo e método aplicado para o experimento. 
Conclusão
A realização do experimento permite a verificação de algumas das leis da óptica geométrica (Lei de gauss para lentes), bem como o estudo do funcionamento de lentes e outros instrumentos óticos (Microscópio, Luneta e Lupa). Além disso é possível ver de maneira prática os fenômenos de criação de imagens a partir de uma fonte de luz, uma vez que na teoria de óptica fenômenos como existência de imagens virtuais, imagens deformadas e invertidas muitas vezes ficam abstratas e confusas quando o estudante traz pra realidade, e através desse experimento conseguimos esclarecer alguns desses fatos.
	
Referências Bibliográficas
Halliday, D.; Resnick, R.; Walker,J, “Fundamentos de Física” ,Vol4, 9ª edição, 2012, Editora LTC.
UFBA, “Experimento 01: Lentes e Instrumentos Óticos”, Disponível em <http://www.fis.ufba.br/sites/fis.ufba.br/files/exp1_0.pdf >, Acesso em 07/07/2017