ROTEIRO DOS EXPERIMENTOS ATIVIDADE PRÁTICA DE FÍSICA MODERNA(4)

Prévia do material em texto

116nome
turma
data / /
Difração e interferência
28
Objetivo
Estudar difração em fendas simples e padrões de interferência em fendas duplas.
Introdução 
Se você direcionar um feixe de luz através de fendas estreitas espaçadas entre si por intervalos pequenos, a luz forma um padrão de difração. O padrão de difração é um conjunto de áreas claras e escuras e é causado pela interferência das ondas. A interferência das ondas pode ser construtiva (áreas claras) ou destrutiva (áreas escuras). Nesta atividade, você vai direcionar um laser sobre um dispositivo com duas fendas, que podem ser ajustadas para fi carem mais ou menos próximas, e vai investigar os padrões produzidos do outro lado das fendas.
Habilidades em foco
Fazer previsões, tirar conclusões, observar, interpretar dados, fazer generalizações e 
aplicar conceitos.
Procedimento
Inicie o Virtual Physics e selecione Diffraction and Interference na lista de experimentos. O programa vai abrir a bancada de física quântica (Quantum). 
Almoxarifado
117
Um laser é usado como fonte luminosa porque ele tem somente um comprimento de onda. Portanto, você não vai observar padrões de difração de outros comprimentos de onda interferindo na imagem. Qual o comprimento da onda (Wavelenght) do laser? 
Qual o espaçamento entre as duas fendas (Slit Spacing) no dispositivo? Compare o comprimento de onda do laser com a distância entre as fendas.
Como seria o padrão de difração se mantivéssemos a distância entre as Fazendo previsões
 
3
fendas mas diminuíssemos o comprimento de onda da fonte? (Dica: pense na distância entre as fendas como um obstáculo que as ondas de luz encontram no caminho.)
Observe o padrão exibido pela câmera de vídeo conforme você reduz Tirando conclusões
 
4
o comprimento de onda para 600 nm e depois para 300 nm, clicando na seta abaixo do valor da centena. O que você pode afirmar sobre a relação entre o comprimento de onda e o padrão de refração quando o comprimento de onda é maior do que o obstáculo?
Agora você vai investigar outros efeitos causados pela interferência da luz. Ao Observando
 
5
distanciar mais as fendas, você vai começar a ver a interferência quando as ondas que atravessam as fendas afetarem umas às outras. Mude o comprimento de onda do laser para 500 nm e o espaçamento entre as fendas para 3 μm. Descreva o que você observa. O que está causando esse efeito?
118	Difração e interferência
6 Mude a intensidade (Intensity) do laser de 1 nW para 1 W. A intensidade da luz afeta o padrão de difração?
Mude a distância entre as fendas para 1 μm. Observe o padrão exibi-Interpretando dados
 
7
do no vídeo conforme você altera a distância das fendas de 1 μm para 7 μm, de 1 em 1 μm. Qual a relação entre a distância das fendas e o padrão de difração?
Mude a distância entre as fendas para 3 μm. Aumente o comprimento de onda do laser para 700 nm. Como o aumento no comprimento de onda afeta o padrão de interferência?
Fazendo generalizações Ajuste a intensidade do laser para 1 000 fótons/segundo (p/s, do inglês, photons per second). Aperte o botão (Persist) na câmera de vídeo para manter na tela a visualização dos fótons que atravessam as fendas. Observe por um minuto. O que você pode afirmar sobre esse padrão em relação ao padrão produzido pelo feixe contínuo?
Diminua a intensidade do laser para 100 fótons/segundo. Ative novamente a função Persist e observe por um minuto. Em baixas intensidades (1 000 ou 100 fótons/segundo), nunca há um momento em que dois fótons atravessam as fendas ao mesmo tempo. Como ocorre a difração de um único fóton?
	Difração e interferência
A partir desse experimento, o que você pode concluir sobre a natureza da luz?
11
Entre no almoxarifado (Stockroom). Clique na prancheta e selecione Aplicando conceitos
 
12
o item 8,Two-Slit Diffraction – Electrons. Clique na seta verde Return to Lab. Este experimento é parecido com o experimento anterior, mas a fonte está emitindo elétrons e não fótons de luz. Por isso, o detector é uma tela de fósforo (Phosphor Screen) que detecta partículas com carga. Como o padrão de difração pode ser comparado com o padrão de difração da luz?
140	
2
	02 labor0711_FIS_BL2.indd 1	9/9/11 11:12 AM 
	02 labor0711_FIS_BL2.indd 166	9/9/11 11:12 AM 
	02 labor0711_FIS_BL2.indd 3	9/9/11 11:12 AM 
nome
turma
data / /
O efeito fotoelétrico
34
Objetivos
Estudar o efeito fotoelétrico e entender a ligação entre comprimento de onda e energia da luz incidente e a emissão de fotoelétrons. 
Introdução
Embora Albert Einstein tenha se tornado conhecido pela equação E = mc 2 e pelo seu trabalho sobre relatividade na mecânica, ele ganhou o prêmio Nobel por ter compreendido um experimento simples. Já se sabia que, ao direcionar um feixe de luz de determinado comprimento de onda sobre um metal, o metal emitia elétrons. Porém, a luz de outros comprimentos de onda não provocava a emissão de elétrons do metal, independentemente de seu brilho ou de sua intensidade. Na teoria clássica da Física, pensava-se que a energia da luz estava relacionada com sua intensidade, não com sua frequência. No entanto, os resultados do experimento fotoelétrico contradiziam a teoria clássica. Essas inconsistências levaram Einstein a sugerir que a luz deveria ser decomposta também em partículas (fótons) e não somente em ondas. Nesta atividade, você vai reproduzir um experimento fotoelétrico e demonstrar como a energia (E) de um fóton se relaciona à frequência e não à intensidade.
Habilidades em foco
Calcular, observar, desenhar gráfi cos, interpretar dados, tirar conclusões.
Procedimento
Inicie o Virtual Physics e selecione The Photoelectric Effect na lista de experimentos. O programa vai abrir a bancada de física quântica (Quantum).
Interruptor
Almoxarifado
Lâmina
de sódio
Laser
141
Observando O laboratório está montado com um laser em determinado ângulo incidindo na lâmina de sódio — Metal Foil (Na). Os átomos do metal absorvem a energia da luz e emitem elétrons. A tela de fósforo (Phosphor Screen), no canto inferior, vai detectar os elétrons que ricochetearem do metal. A intensidade (Intensity) e o comprimento de onda (Wavelenght) do laser podem ser ajustados. Qual a intensidade e o comprimento de onda com que o laser está inicialmente programado?
Anote o comprimento de onda (em nm) na Tabela de dados da página seguinte. Calculando
 
3
Calcule a frequência (em Hz) e a energia (em J) do laser utilizando a seguinte equação: f = c 
 e E = h × f, em que c = 3 × 108 m/s é a velocidade da luz no vácuo e h = 6.626 × 1034 J · s. Não se esqueça de converter a unidade do comprimento de onda para metros. Lembre-se de que 109 nm = 1 m.
4 Ligue a tela de fósforo (On/Off ) e clique no botão (Grid). O que o sinal da tela de fósforo indica sobre a luz do laser que está incidindo na lâmina de sódio?
Tabela de dados
Comprimento 
de onda (nm)
Frequência 
)
(
Hz
Energia do 
laser (J)
Energia cinética dos 
elétrons emitidos (J)
Intensidade dos 
elétrons 
142	O efeito fotoelétrico
5 Diminua a intensidade do laser para 1 fóton/segundo (p/s, do inglês, photons per second) ajustando o controlador à esquerda. Como o sinal muda? O que isso indica sobre a relação entre a quantidade de fótons emitidos e a intensidade da luz incidente?
Observando
 
Mude a intensidade do laser novamente para 1 nW e aumente o comprimento 
6
de onda para 600 nm. O que você observa na tela de fósforo?
Determine o comprimento de onda máximo em que ocorre a emissão de elétrons do metal.
Clique no almoxarifado (
Stockroom
)
 para entrar. Clique na prancheta e selecione o item 5,
 
7
8
Photoelectric Effect (2). Clique na seta verde Return to Lab para retornar ao laboratório. A intensidade do laser está ajustada em 1 nW e o comprimento de onda em 400 nm. O detector usado neste experimento é o bolômetro (Bolometer), que será ligado automaticamente.Esse instrumento mede a energia cinética dos elétrons. Na janela do detector, clique na alavanca eV/Joules para mudar a unidade do eixo x. Você deve ver um pico verde no canto inferior esquerdo da tela de fósforo. A intensidade ou altura do sinal corresponde ao número de elétrons emitido do metal e o eixo x é a energia cinética dos elétrons. No gráfico, amplie a área pico clicando próximo a ele e arrastando o vértice do retângulo que vai aparecer.
9 Mova o cursor do mouse sobre o pico e anote a energia cinética e a intensidade dos elétrons na Tabela de dados. A unidade da energia cinética está em 10–19 J, então anote 10–19 para todo dado de energia que você coletar. Aumente o comprimento de onda em incrementos de 10 nm e anote, na tabela, a energia cinética e a intensidade do pico para cada comprimento de onda. Observe o que acontece se você continuar a aumentar o comprimento de onda depois de atingir o comprimento de onda máximo em que há emissão de elétrons do metal. Isso condiz com o que você havia observado anteriormente?
Análise e conclusão
1 Desenhando gráficos A partir dos dados da tabela, plote o comprimento de onda da luz incidente versus a energia cinética dos elétrons ejetados do metal. Inclua alguns valores maiores de comprimento de onda que você observou na etapa 9. Rotule o eixo x como Comprimento de onda (nm) e o eixo y como Energia cinética (10 –19 J).
	O efeito fotoelétrico	143
	02 labor0711_FIS_BL2.indd 65	9/9/11 11:12 AM 
	02 labor0711_FIS_BL2.indd 170	9/9/11 11:12 AM 
	02 labor0711_FIS_BL2.indd 9	9/9/11 11:12 AM 
2 Interpretando dados 
quando a energia cinética cai para zero?
A partir dos dados da tabela, plote a energia do laser versus a ener-Desenhando gráficos
 
3
gia cinética dos elétrons. Inclua alguns valores maiores de comprimento de onda que você observou na etapa 9. Rotule o eixo x como Energia do laser (10 –19 J) e o eixo y como Energia cinética (em 10 –19 J).
144	O efeito fotoelétrico
4 Interpretando dados Qual a relação entre a energia da luz incidente e a energia dos elétrons ejetados do metal?
Diminua o comprimento de onda para um valor em que há emissão de elé-Observando
 
5
trons do metal. Observe o que acontece com o pico quando você aumenta e diminui a intensidade. Você terá de ampliar algumas regiões do gráfico para observar as mudanças.
Baseando-se neste experimento, explique por que a luz violeta causa a Tirando conclusões
 
6
emissão de elétrons, mas a luz laranja não. O que importa na formação de fotoelétrons: intensidade ou comprimento de onda?
	145
	02 labor0711_FIS_BL2.indd 66	9/9/11 11:12 AM 
	02 labor0711_FIS_BL2.indd 140	9/9/11 11:12 AM 
	02 labor0711_FIS_BL2.indd 12	9/9/11 11:12 AM