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UNIVERS Curso: Engenharia Mecânica Disciplina: Tópicos de Física Formação de Imagem Espelhos Planos e Esféricos Marco Antonio Pimenta Riera Moisés Felipe Nogueira Dos Santos Leonardo Machado Campos Pereira Mateus Henrique Faria UNIVERSIDADE CIDADE DE SÃO PAULO CAMPUS TATUAPÉ Curso: Engenharia Mecânica Disciplina: Tópicos de Física Turma: A – Prof. Gabriel Formação de Imagem Espelhos Planos e Esféricos Marco Antonio Pimenta Riera – 16104986 Moisés Felipe Nogueira Dos Santos - 16454065 Leonardo Machado Campos Pereira - 16247558 Mateus Henrique Faria - 16281772 São Paulo 2016 IDADE CIDADE DE SÃO PAULO Espelhos Planos e Esféricos 2 ÍNDICE 1) Resumo: 3 Abstract: 4 2) Introdução: 5 Objetivo 5 Conceito 5 3) Metodologia e Maritais: 12 Metodologia 12 Materiais 13 4) Resultados e Discussões: 14 Procedimento 01: Espelho Plano e Reflexão 14 Procedimento 02: Espelho Plano e Geração de Imagem 17 Procedimento 03: Espelho côncavo 19 a) Objeto atrás do centro de curvatura 20 b) Objeto sobre o centro de curvatura 21 c) Objeto entre o centro de curvatura e o foco 22 d) Objeto sobre o foco 23 e) Objeto entre o foco e o vértice 24 Procedimento 04: Bloco Retangular de Acrílico 25 5) Referências Bibliográficas: 26 3 1) Resumo: Neste experimento iremos conhecer os fenômenos da reflexão e refração da luz em espelhos planos e esféricos, verificando as leis da óptica geométrica e comprovar as propriedades das imagens formadas em cada espelho. Iremos comprovar que em um espelho plano a distância da imagem é igual a distância do objeto. E em um espelho esférico conhecer que a distância focal é sempre a metade do raio de curvatura do espelho e que iremos ter diferentes tipos de imagem para cada posicionamento do objeto como por exemplo um objeto que esta antes do centro de curvatura, irá gerar uma imagem com as seguinte características: natureza real, tamanho menor e orientação invertida em relação ao objeto. Comprovar através de equações as propriedades das imagens em espelhos esféricos e calcular o aumento e a distância das imagens formadas. Verificar o desvio do raio incidente em um bloco de acrílico e verificar que o ângulo de incidência será igual ao ângulo refletido. 4 Abstract: 5 2) Introdução: Objetivo: Neste experimento iremos conhecer as propriedades das imagens e iremos mostrar como são formadas as suas imagens dependendo do espelho que utilizamos no processo. Conceitos Luz: A luz é uma onda eletromagnética, cujo comprimento de onda se inclui num determinado intervalo dentro do qual o olho humano é a ela sensível. A intensidade da luz se identifica com o brilho e a frequência com a cor. Deve ser ressaltada também a dualidade onda/partícula, característica da luz como fenômeno físico, em que esta tem propriedades de onda e partículas, sendo validas ambas as teorias sobre a natureza da luz. Segundo a teoria de Newton conhecida como “modelo corpuscular da luz”, dizia que a luz era constituída de partículas pequenas, que são emitidas pelas fontes luminosas, que se propagam em linha reta com velocidades muito grandes. Após alguns anos essa teoria foi colocada à prova, pois por volta do século XIX, L.Foucault, um cientista francês, realizou experimentos para determinar a velocidade da luz e chegou à conclusão de que a velocidade da luz na água era menor do que no ar. Como a teoria entrava em desacordo com a experimentação de Foucault, a comunidade científica acabou com a teoria “corpuscular da luz”. Anos depois, alguns cientistas, perceberam a semelhança entre os fenômenos ondulatórios e luminosos, então propuseram outro modelo para a luz, que ficou conhecido como “modelo ondulatório”, ou seja, tiveram a ideia de que a luz era um fenômeno ondulatório. Somente com Maxwell, após um experimento tentando calcular a velocidade de propagação de uma onda eletromagnética, em que ele achou resultados iguais a velocidade da luz. Com isso ele propôs a ideia de que a luz é uma onda eletromagnética e mais tarde experiências comprovaram a ideia de Maxwell. 6 Pincel de Luz: Um pincel de luz é a região do espaço por onde a luz se propaga, tendo como exemplo o cinema, a luz que sai do projetor e vai para tela é um pincel de luz. Os pincéis podem ser: cilíndricos, cônicos divergentes ou cônicos convergentes. Todo e qualquer tipo de pincel sempre apresenta um vértice, isto é um ponto de onde a luz sai ou um ponto para onde ela se dirige. Reflexão da Luz: A reflexão da luz é o fenômeno que acontece quando um pincel de luz, que se propaga em determinado meio, atinge uma superfície polida, lisa e retorna ao meio onde inicialmente se propagava. A reflexão ocorre de forma acentuada quando a superfície é metálica. Lei da Reflexão: 1) O raio incidente, a reta normal e o raio refletido são coplanares (estão no mesmo plano geométrico). 2) A medida do ângulo de reflexão é igual ã medida do ângulo de incidência. Espelho Plano: São sistemas ópticos de espelhos constituídos por superfícies planas e polidas e capazes de refletir regularmente a luz, como acontece com a superfície de um lago, o vidro de uma janela. Para que a superfície seja considerada um bom espelho é inda necessário que a variação do poder refletor com o ângulo de incidência seja o menor possível. Por está razão os espelhos devem ser superfícies metálicas, pois nos espelhos comuns o vidro é usado como uma proteção transparente para que a camada metálica não sofra ação do ar e da umidade. Foto 01 – Pincel de Luz 7 Imagem formada no Espelho Plano: Imagem 01 –Imagem no espelho plano O objeto real, forma no espelho plano: uma imagem virtual, direita, no mesmo tamanho e simetria. A distância do objeto ao espelho (p) é igual, em módulo, a distância da imagem ao espelho (i). Espelho Convexo: É caracterizado como sendo um espelho esférico, e pode ser considerado para qualquer superfície externa capaz de refletir a luz incidente. Esse tipo de espelho tem a função de prolongar a visão, por conta disso podemos ver ângulos que não seriam possíveis de serem vistos por um espelho plano. Figura 1 – Ilustra a visão circular do espelho convexo. http://www.infoescola.com/optica/espelho-convexo/ Na figura1 a parte que se destaca em negrito é uma visão em 2D do espelho convexo, na figura temos o raio (R) que é a medida conhecida como Raio de Curvatura, sendo definido como Centro de Curvatura, o ponto (C) é o centro em que se originou o espelho. Neste tipo de espelho também temos o ponto Focal (F) que é o ponto médio entre o centro e a curvatura do espelho, este ponto fica sobre a reta (R) e é o local para onde os raios refletidos ou A medida entre o ponto focal e o vértice do espelh o ponto focal fica localizado no ponto médio entre o centro de curvatura e o vértice do espelho, podemos dizer que a distancia focal pode ser definida como a metade do raio. (equação 01 O vértice (V) é o ponto eixo (e) do espelho, o eixo esta representado por uma linha de centro que une o centro de curvatura, o foco e o vértice. Figura 2 – Elementos de um espelho esférico.http://www.infoescola.com/op Para determinarmos como são formadas as imagens no espelho convexo devemos conhecer o comportamento dos raios de luz incidentes na superfície espelho e que refletem as imagens. e espelho também temos o ponto Focal (F) que é o ponto médio entre o centro e a curvatura do espelho, este ponto fica sobre a reta (R) e é o local para onde os raios refletidos ou prolongados se convergem. A medida entre o ponto focal e o vértice do espelho é a Distancia Focal (f), como o ponto focal fica localizado no ponto médio entre o centro de curvatura e o vértice do espelho, podemos dizer que a distancia focal pode ser definida como a equação 01) (1) O vértice (V) é o ponto tangencial descrito na curvatura, e fica localizado sobre o eixo (e) do espelho, o eixo esta representado por uma linha de centro que une o centro de curvatura, o foco e o vértice. Elementos de um espelho esférico. http://www.infoescola.com/optica/espelho-convexo/ Para determinarmos como são formadas as imagens no espelho convexo devemos conhecer o comportamento dos raios de luz incidentes na superfície espelho e que refletem as imagens. 8 e espelho também temos o ponto Focal (F) que é o ponto médio entre o centro e a curvatura do espelho, este ponto fica sobre a reta (R) e é o se convergem. o é a Distancia Focal (f), como o ponto focal fica localizado no ponto médio entre o centro de curvatura e o vértice do espelho, podemos dizer que a distancia focal pode ser definida como a tangencial descrito na curvatura, e fica localizado sobre o eixo (e) do espelho, o eixo esta representado por uma linha de centro que une o Para determinarmos como são formadas as imagens no espelho convexo devemos conhecer o comportamento dos raios de luz incidentes na superfície Figura 3 – Ilustração dos Raios Incidentes em um Espelho Côncavo: É caracterizado como sendo um qualquer superfície interna capaz de refletir a luz incidente. Este tipo de espelho é utilizado em aplicações bem especificas isso ocorre por que as imagens formadas variam de acordo com a posição do objeto. As propriedades do médio entre o centro de curvatura do espelho, esse ponto médio fica sobre a reta (R), nesse ponto (F) é o local para onde os raios refletidos ou prolongado se convergem. A medida entre o ponto focal o ponto focal fica localizado no ponto médio entre o centro de curvatura e o vértice do espelho, podemos dizer que a distancia focal pode ser definida como a metade do raio. (equação 02) Ilustração dos Raios Incidentes em um espelho convexo. É caracterizado como sendo um espelho esférico , e pode ser considerado para qualquer superfície interna capaz de refletir a luz incidente. Este tipo de espelho é utilizado em aplicações bem especificas isso ocorre por que as imagens formadas variam de acordo com a posição do objeto. As propriedades do espelho côncavo temos: o Ponto Focal (F), que é o ponto médio entre o centro de curvatura do espelho, esse ponto médio fica sobre a reta (R), nesse ponto (F) é o local para onde os raios refletidos ou prolongado se A medida entre o ponto focal e o vértice do espelho é a Distancia Focal (f), como o ponto focal fica localizado no ponto médio entre o centro de curvatura e o vértice do espelho, podemos dizer que a distancia focal pode ser definida como a equação 02) (2) 9 e pode ser considerado para qualquer superfície interna capaz de refletir a luz incidente. Este tipo de espelho é utilizado em aplicações bem especificas isso ocorre por que as imagens espelho côncavo temos: o Ponto Focal (F), que é o ponto médio entre o centro de curvatura do espelho, esse ponto médio fica sobre a reta (R), nesse ponto (F) é o local para onde os raios refletidos ou prolongado se e o vértice do espelho é a Distancia Focal (f), como o ponto focal fica localizado no ponto médio entre o centro de curvatura e o vértice do espelho, podemos dizer que a distancia focal pode ser definida como a 10 O vértice (V) é o ponto tangencial descrito na curvatura, e fica localizado sobre o eixo (e) do espelho, o eixo esta representado por uma linha de centro que une o centro de curvatura, o foco e o vértice. Figura 4 – Elementos de um espelho esférico. http://www.infoescola.com/optica/espelho-concavo/ Para determinarmos como são formadas as imagens no espelho côncavo devemos conhecer o comportamento dos raios de luz incidentes na superfície espelho e que refletem as imagens. Figura 5 – Ilustração dos Raios Incidentes em um espelho côncavo. 11 Para formar a imagem precisamos utilizar apenas dois feixes de luz que incidem no espelho. Por esses raios, determinamos a posição da imagem refletida, tamanho, e característica. Figura 6 – Ilustração dos Raios emanados do objeto incidentes no espelho côncavo formando a imagem. http://www.infoescola.com/optica/espelho-concavo/ Reflexão interna total (e reflexão interna total frustrada) Pela lei de Snell, se tivermos ni > nr (ou seja, o raio está passando de um meio mais refratário a outro menos refratário), podemos ter sin > 1 r q . Nesse caso não há raio refratado; toda a luz é refletida. Esse efeito é chamado de reflexão interna total. O ângulo _c tal que c r i sinq = n / n é chamado ângulo crítico. A reflexão interna total ocorre quando o ângulo de incidência é maior que o ângulo crítico. Entretanto, se outro bloco de vidro (ou de outro material com índice de refração igual ou maior) é posicionado próximo, o raio pode passar de um bloco para outro. Isso tem a ver com o conceito de onda evanescente. Na situação de reflexão interna total, uma onda evanescente é formada e passa para o meio com menor índice de refração. A amplitude dessa onda decai exponencialmente e normalmente não transporta energia (toda energia é refletida). Porém, a onda pode alcançar um novo meio onde pode se propagar novamente, e se converte numa onda ordinária. Nessa situação, a luz que se propagava dentro do prisma e atinge a interface com ângulo maior que o ângulo crítico tem parte de sua energia refletida e parte atravessa para o outro bloco, intermediada pela onda evanescente. Esse fato é conhecido como reflexão interna total frustrada. 12 3) Metodologia e Materiais: Metodologia: O método aqui aplicado consiste em utilizar uma fonte de tensão (imagem 01), um banco óptico com um diagrama de uma franja (imagem 02) para criar um feixe de luz que será direcionando para um espelho plano (imagem 03), um espelho curvo e um bloco (imagem 04) e conhecer a lei da reflexão e da formação de imagens nos diferentes tipos de espelhos. Imagem 01 – Fonte de Tensão Imagem 02 – Banco Óptico com Diagrama de Uma Franja. Imagem 03 – Feixe Incidente e Refletido em um espelho plano Imagem 04 – Feixe de Luz em um bloco de acrílico. 13 Materiais utilizados no experimento: (Imagem 05) • Banco óptico. • 3 diafragmas sem franjas. • Diafragma de 1 (uma) franja. • Espelho plano. • Espelho Côncavo/Convexo. • Fonte de Tensão. • Papel quadriculado. Imagem 05 – Formação de imagens, aparato experimental. 14 4) Resultados e Discussões: Procedimento 01: Espelho Plano e Reflexão Neste procedimento iremos utilizar um espelho plano e um gerador de tensão para acionar o banco óptico e obter um feixe de luz através de um diagrama de uma franja (Imagem 06). O experimento consiste em direcionar o feixe de luz que iremos chamar de raio incidente para um ponto no espelho plano, neste ponto iremos traçar uma linha chamada de normal que estará perpendicularao espelho, quando o raio incidente chega ao espelho será gerado um raio refletivo. Conclusão: Podemos observar que o raio incidente, a reta normal e o raio refletido são coplanares (estão no mesmo plano) e o ângulo incidente Θi será igual ao ângulo refletido Θr, comprovando a Lei da reflexão. Imagem 06 - Espelho plano com o banco óptico gerando feixe de luz – Ponto 02 15 Para melhor entendimento refletimos 4 raios incidentes com 4 diferentes ângulos conforme as imagens 07,08,09 e 10) e obtivemos os seguintes resultados conforme tabela 01. Imagem 07 – Raio Incidente e Refletivo 01 Imagem 08 – Raio Incidente e Refletivo 02 Imagem 09 – Raio Incidente e Refletivo 03 Imagem 10 – Raio Incidente e Refletivo 04 16 Resultados: Tabela 01: Ângulos obtidos Raio Θi Θr 1 24 24 2 45 45 3 33 33 4 63 63 Θi = ângulo Incidente Θr = ângulo Refletido Imagem 11 – Experimento Espelho Plano/Reflexão – Raio Incidente e Raio Refletido 17 Procedimento 02: Espelho Plano e Geração de Imagem Neste procedimento dois raios incidentes são direcionados a partir do ponto P do objeto em direção ao espelho, o raio de incidência 1 normal ao espelho e o raio de incidência 2, com ângulo de incidência igual a θi, conforme imagem 12. Resultados: Distância do Objeto (d) = 36(5) mm Distância da Imagem (d`) = 36(5) mm Altura do Objeto (h) = 18(5) mm Altura da Imagem (h`) = 18(5) mm Angulo de Incidência (Θi) = 27º Angulo de Reflexão (Θi) = 27º Imagem 12 – Experimento Espelho Plano – Formação de Imagem 18 Conclusão: Concluímos que a distância do objeto (d) e a distância da imagem (d`) são iguais assim como suas alturas (h=h`). A imagem obtida é uma imagem virtual (atrás do espelho) e como esta no mesmo sentido do objeto trata-se de uma imagem direta e sem ampliação. 19 Procedimento 03: Espelho côncavo Para o procedimento com o espelho côncavo iremos direcionar nosso feixe de luz incidente paralelamente ao eixo principal e sua reflexão atravessará o eixo principal onde a interseção será nosso ponto f onde iremos chamar de foco. (imagem 13). E posteriormente representar um objeto em diferentes posições para estudar as formações de imagem. No espelho côncavo a distância do foco (f) sempre será um resultado positivo. Quando o objeto ou a imagem for real, à distancia do objeto (P) e a distância da imagem (q) serão positivos e negativos se o objeto for virtual. No aumento da imagem se ela for Direta (mesmo sentido do objeto) será positiva e for Invertida (sentido contrário ao objeto) será negativa. Imagem 13 – Espelho Côncavo – Raio Paralelo ao Eixo Principal Localização do Foco. 20 a) Objeto atrás do centro de curvatura. C = Centro F = Foco V = Vértice Altura do Objeto (h) = 25(5) mm Altura da Imagem (h`) = 21(5) mm Distância Objeto/Vértice(P)=147(5)mm Distância Imagem/Vértice(q)=126(5)mm Calculo do Aumento (M): � = �` � � = �� �� � = 0,84 � = − � � � = − ��� ��� � = −0,85 (3) Obs: quando o valor é negativo significa que a imagem é invertida. Características da Imagem: Real, Invertida e Menor. Real por estar no mesmo plano que o objeto, Invertida por estar invertida com relação ao objeto e Menor por ser menor que o objeto. Equação de Gauss: Distância focal � � = � � + � � � � = � ��� + � ��� � = 67,84(5) �� (4) Imagem 14 – Espelho Côncavo – Com o Objeto antes do Centro. 21 b) Objeto sobre o centro de curvatura. C = Centro F = Foco V = Vértice Altura do Objeto (h) = 25(5) mm Altura da Imagem (h`) = 25(5) mm Distância Objeto/Vértice(P)=135(5)mm Distância Imagem/Vértice(q)=135(5)mm Calculo do Aumento (M): � = �` � � = �� �� � = 1 � = − � � � = − ��� ��� � = −1 (5) Obs: quando o valor é negativo significa que a imagem é invertida. Características da Imagem: Real, Invertida e Mesmo Tamanho. Real por estar no mesmo plano que o objeto, Invertida por estar invertida com relação ao objeto e o Mesmo Tamanho por estar no mesmo tamanho que o objeto. Equação de Gauss: Distância focal 1 � = 1 � + 1 � 1 � = 1 135 + 1 135 � = 67,5(5) �� (6) Imagem 15 – Espelho Côncavo – Com o Objeto no Centro. 22 c) Objeto entre o centro de curvatura e o foco. C = Centro F = Foco V = Vértice Altura do Objeto (h) = 15(5) mm Altura da Imagem (h`) = 25(5) mm Distância Objeto/Vértice (P)=102(5)mm Distância Imagem/Vértice(q)=180(5)mm Calculo do Aumento (M): � = ℎ` ℎ � = 25 15 � = 1,67 � = − � � � = − 180 102 � = −1,76 (7) Obs: quando o valor é negativo significa que a imagem é invertida. Características da Imagem: Real, Invertida e Maior. Real por estar no mesmo plano que o objeto, Invertida por estar invertida com relação ao objeto e Maior por ser maior que o objeto. Equação de Gauss: Distância focal 1 � = 1 � + 1 � 1 � = 1 102 + 1 180 � = 65,1(5) �� (8) Imagem 16 – Espelho Côncavo – Com o Objeto Entre o Centro e o Foco. 23 d) Objeto sobre o foco. C = Centro F = Foco V = Vértice Características da Imagem: Imprópria. Obs: Imagem Infinita Imagem 17 – Espelho Côncavo – Com o Objeto Sobre o Foco. 24 e) Objeto entre o foco e o vértice C = Centro F = Foco V = Vértice Altura do Objeto (h) = 10(5) mm Altura da Imagem (h`) = 22(5) mm Distância Objeto/Vértice(P)=36(5)mm Distância Imagem/Vértice(q)=79(5)mm Calculo do Aumento (M): � = �` � � = �� �# � = 2,2 � = − � � � = �$ �� � = 2,2 (9) Obs: quando o valor é positivo significa que a imagem é direita. Características da Imagem: Virtual, Direita e Maior. Virtual por não estar no mesmo plano que o objeto, Direita por estar no mesmo sentido com relação ao objeto e Maior por ser maior que o objeto. Equação de Gauss: Distância focal 1 � = 1 � + 1 � 1 � = 1 36 + 1 79 � = 66,14(5) �� (10) Imagem 18 – Espelho Côncavo – Com o Objeto Entre o Foco e o Vértice. 25 Procedimento 04: Bloco Retangular de Acrílico Neste procedimento vamos verificar a reflexão e a refração da luz utilizando um bloco retangular de acrílico, podemos observar na figura 19 que o feixe de luz se desvia quando passa pelo acrílico. Desta forma, podemos observar um desvio do Raio Incidente (1) para o Raio Emergente (4), e verificar que o ângulo de incidência (α) é igual ao ângulo de reflexão e emergente (α). 1 = Raio Incidente 2 = Raio Refletido 3 = Entrada Raio 4 = Raio Emergente 5 = Saída Raio h = 30(5) mm Imagem 19 – Raios em um Bloco Retangular de Acrílico Imagem 20 – Representação do Procedimento em um Bloco de Acrílico 26 5) Referências Bibliográficas: Bibliografia:Apostila Anglo vestibulares – Física 3 óptica Geométrica Termofísica Ondulatória – 2º Edição – 2002 – Alvaro Csapo Talavera, Ronaldo Carrilho e Thales Trigo. http://www.infoescola.com/optica/espelho-concavo/ - Carlos Alexandre Cavalheiro Apostila Universidade de São Paulo (Laboratório de Física de São Carlos) Laboratório de Óptica: Reflexão e Refração da luz em superfícies planas
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