AP Nota 100 Física Óptica e Princípios de Física Moderna

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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. 
 
1 Inicie o Virtual Physics e selecione Diffraction and Interference na lista de experimentos. O 
programa vai abrir a bancada de física quântica (Quantum). 
 
 
 
 
 
Fazer previsões, tirar conclusões, observar, interpretar dados, fazer generalizações e 
aplicar conceitos. 
 
Almoxarifado 
 
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2 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? 
3 R: O comprimento de 700. Nm 
4 
5 
Qual o espaçamento entre as duas fendas (Slit Spacing) no dispositivo? Compare o comprimento 
de onda do laser com a distância entre as fendas. 
Espaçamento de 00.2 µm 
 
 
 
Como seria o padrão de difração se mantivéssemos a distância entre as 
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.) 
R: Menor separação entre os dois máximos consecutivos, resultando em linhas verticais coloridas 
cada vez mais finas e menos espaçadas. 
 
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 Com 600 Com 500 
 
 Com 400 Com 300 
 
 Com 200 Com 100 
 
Observe o padrão exibido pela câmera de vídeo conforme você reduz 
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? 
 R: A luz é mais intensa no centro e vai reduzindo a intensidade conforme se afasta desse centro. Para 
uma mesma separação de fendas, caso seja reduzido o comprimento de onda, a largura do máximo 
vai reduzindo. 
 
Agora você vai investigar outros efeitos causados pela interferência da luz. Ao 
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? 
 
 
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R: Observa-se o efeito descrito na questão 4. A causa é a difração da luz ao passar por uma fenda. 
 
118 6 Mude a intensidade (Intensity) do laser de 1 nW para 1 W. A intensidade da luz afeta o 
padrão de difração? 
 
R: Não afeta o padrão de difração. 
 
Mude a distância entre as fendas para 1 μm. Observe o padrão exibi- 
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? 
R: A medida que aumenta a distância entre as fendas vê-se uma difração mais intensa, com maior 
quantidade de linhas coloridas com menor distância entre elas. 
8 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? 
 
R: O padrão de interferência menos intenso com o aumento do comprimento da onda. 
9 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? 
 
R: O padrão vai sendo construído ao passar do tempo e tem o mesmo perfil montado quando 
aplicada maior intensidade no laser. 
 
10 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? 
R: A luz se comporta como onda, de onde se obtém a característica de interferência, mesmo 
quando há disparos individuais de fótons. Assim ocorre a difração quando o fóton passa por fendas 
que formam novas fontes, com a mesma frequência. 
 
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R: A luz é de natureza ondulatória e formada de fótons, que são suas partículas. 
 
 
Entre no almoxarifado (Stockroom). Clique na prancheta eselecione 
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? 
R: Podemos observar padrões similares aos observados quando do uso de um laser como fonte. O 
elétron também se comporta como onda. 
 
 
 
 
 
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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. 
 
1 Inicie o Virtual Physics e selecione The Photoelectric Effect na lista de experimentos. O programa 
vai abrir a bancada de física quântica (Quantum). 
 
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Almoxarifado 
 
 
 
 
 
 
2 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? 
R: Intensidade de 1nW e comprimento de onda de 400.nmAnote o comprimento de onda (em nm) na Tabela de dados da página seguinte. 
Calcule a frequência (em Hz) e a energia (em J) do laser utilizando a seguinte equação: f = c/y 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. 
 
R: Frequência = 
3∗108
400∗10−9
= 
300∗106
400∗10−9
= 0,75 ∗ 1015 = 7,5 ∗ 1014𝐻𝑧 
R: Energia = 6,626.1034 𝑥 7,5. 1014 = 49,695.1048 
 
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? 
R: Indica que a luz que está sendo disparada contra a lâmina de sódio se reflete e alcança a tela de 
fósforo. 
 
 
 
 
 
Comprimento de 
Onda (nm) 
Frequência 
(Hz) 
Energia do 
Laser (J) 
Energia cinética 
dos elétron (J) 
Intensidade dos 
Elétrons 
> 450 - - 0 0 
450 6,6667 x 10^+14 4,4173 x 10^+49 1,274 x 10^-20 0,05 
400 7,5000 x 10^+14 4,9695 x 10^+49 6,3710 x 10^-20 0,05 
350 8,5714 x 10^+14 5,6794 x 10^+49 1,4017 x 10^-19 0,05 
300 1,0000 x 10^+15 6,6260 x 10^+49 2,2936 x 10^-19 0,05 
250 1,2000 x 10^+15 7,9512 x 10^+49 3,6953 x 10^-19 0,05 
200 1,5000 x 10^+15 9,9390 x 10^+49 5,4792 x 10^-19 0,05 
 
 
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? 
R: O sinal pisca no variar da intensidade do laser. A relação é que a intensidade da luz se 
relaciona diretamente com a quantidade de fótons emitidos. 
 
de onda para 600 nm. O que você observa na tela de fósforo? 
R: Nessas circunstâncias não há o que ser observado. 
 
 
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. 
 
R: 450 nm 
Clique no almoxarifado ( para entrar. Clique na prancheta e selecione o item 5, 
 
 
 
 
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? 
R: Sim, pois Einstein fala que aumentar a intensidade de luz não aumenta a energia cinética 
do elétron, e sim apenas a intensidade da luz, emitindo mais fótons, porém permanece com a mesma 
energia conforme vimos no experimento. 
Quando se altera o comprimento da onda, variamos a energia cinética do elétron. A redução do 
comprimento da onda, aumenta a energia cinética do elétron. 
No experimento foi elevado o comprimento da onda, e proporcionalmente inverso, reduz-se a 
energia cinética do elétron.(conforme a tabela preenchida) 
 
 
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). 
 
Gráfico energia cinética x comprimento de onda
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2 Interpretando dados 
O que a forma do gráfico demonstra? O que significa, no gráfico, quando a energia cinética cai 
para zero? 
R: A folha não está mais emitindo elétrons. 
A partir dos dados da tabela, plote a energia do laser versus a ener- 
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). 
 
Gráfico energia cinética x energia do laser 
 
 
 
 
4 Interpretando dados Qual a relação entre a energia da luz incidente e a energia dos elétrons 
ejetados do metal? 
R: A energia cinética dos elétrons é diretamente proporcional a energia da luz incidente do laser. 
 Diminua o comprimento de onda para um valor em que há emissão de elétrons 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. 
R: O pico aumenta ou diminui conforme a variação da intensidade do laser. 
 
 
Baseando-se neste experimento, explique por que a luz violeta causa a 
emissão de elétrons, mas a luz laranja não. O que importa na formação de fotoelétrons: intensidade 
ou comprimento de onda? 
R: O comprimento da luz violeta em 400 nm, aí ocorre a emissão de elétrons. Na cor laranja tem 
comprimento em 600 nm, que é um valor que não ocorre emissão de elétrons.