Atividade prática Óptica e Princípios de Física Moderna 2018

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 ALUNO: ANDRÉ LUIZ DE MELO LIRIA 
RU: 1588228 
BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA - MÓDULO A - 2018 FASE II 
 
ATIVIDADE PRÁTICA - FÍSICA ÓPTICA E PRINCÍPIOS DE FÍSICA MODERNA 
 
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 
Experimento 28 - Difração e interferência 
 
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3 - Fazendo previsões 
4 - Tirando conclusões 
1 - 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? 
Comprimento da Onda do Laser = 700nm 
2- 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 entre as duas Fendas = 00.2um ou 200nm, sendo o espaçamento entre as fendas 3,5 
vezes menor que o comprimento da onda do laser. 
 
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.) 
Condição Inicial do Estudo: 
 Comprimento da Onda do Laser = 700nm 
 Espaçamento entre as duas Fendas = 00.2um. 
Coloração Vermelha em função do comprimento da onda e 
interferência destrutiva (mínimos) nas extremidade e interferência 
construtiva (máximos) na região central. 
 
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? 
Condição do Estudo: 
 Comprimento da Onda do Laser = 600nm 
 Espaçamento entre as duas Fendas = 00.2um. 
Com a alteração do comprimento da onde observamos uma 
alteração na Coloração da luz de Vermelha para Alaranjada e a 
interferência não sofreu alterações significativas em seu 
padrão. 
 
 
 
 
 
 
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5 - Observando 
 Comprimento da Onda do Laser = 300nm 
 Espaçamento entre as duas Fendas = 00.2um. 
Com a alteração do comprimento da onde observamos uma 
alteração na Coloração da luz de Alaranjado para Violeta e um 
aumento no número de franjas a medida que o comprimento da 
onda se aproxima do valor de espaçamento entre as duas fendas. 
 
Com base nos estudos acima podemos afirmar que quando o comprimento de onda é maior do que 
o obstáculo, observa-se que o máximo de maior intensidade acontece no centro, e que após este 
máximo, existem regiões de menor intensidade de luz nas extremidades, sendo que a medida que 
o comprimento da onda diminuiu, temos uma tendência no aumento da quantidade de franjas 
intercalando-se regiões de intensidades mínimas e máximas. 
 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? 
 Comprimento da Onda do Laser = 500nm 
 Espaçamento entre as duas Fendas = 3.0um. 
Com a alteração do comprimento da onde observamos uma 
alteração na Coloração da luz para verde devido ao espectro de luz 
visível e um aumento no número de franjas causadas pela 
interferência das ondas resultantes da alteração da condição de 
difração em função de um maior espaçamento entre as fendas. 
 
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? 
 Como podemos observar na comparação entre as duas 
imagens de cor verde, a intensidade do laser não afeta o 
padrão de difração. 
 
 
 
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7 - Interpretando dados 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? 
 Comprimento da Onda do Laser = 500nm 
 Espaçamento entre as duas Fendas = 1.0um. 
 
 
 Comprimento da Onda do Laser = 500nm 
 Espaçamento entre as duas Fendas = 7.0um. 
 
A medida que a distância das fendas aumenta tem um aumento de 
franjas em torno da região central, de modo que vemos o número de 
franjas é diretamente proporcional a distância entre as fendas. 
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? 
 
 Comprimento da Onda do Laser = 700nm 
 Espaçamento entre as duas Fendas = 3.0um. 
 
Com o aumento do comprimento da onde observamos uma 
alteração na Coloração da luz para vermelho devido ao espectro de 
luz visível e uma diminuição no número de franjas causadas pela 
interferência das ondas. 
 
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? 
 
Devido a intensidade do laser ser muito pequena, leva-se um tempo maior para a onda passar 
pelas fendas e formar o padrão de difração, porém não há alteração significativa do padrão, 
mantendo assim a condição de interferência; 
 
 
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12 - Aplicando conceitos 
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? 
Ocorre de forma lenta e por meio de ponto de luz e não por feixe de luz. 
 
 
11- A partir desse experimento, o que você pode concluir sobre a natureza da luz? 
Não há uma natureza definitiva, a luz é onda-partícula, pois se propagam como onda no espaço e 
também é composta por partícula denominadas fóton de luz. 
 
 
Entre no almoxarifado (Stockroom). Clique na prancheta e 
selecione 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 
fótonsde 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? 
 
O padrão de difração por emissão de elétrons é idêntico ao padrão de 
difração da luz, pois a difração ocorre quando uma onda passa pela 
borda de uma barreira ou através de uma abertura, provocando em 
geral um alargamento do comprimento de onda, gerando regiões de 
interferências construtivas ou destrutivas. 
 
 
 
 
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BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA - MÓDULO A - 2018 FASE II 
 
ATIVIDADE PRÁTICA - FÍSICA ÓPTICA E PRINCÍPIOS DE FÍSICA MODERNA 
 
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). 
 
 
 
 
 
 
 
 
Experimento 34 - O efeito fotoelétrico 
 
Almoxarifado 
 
 
 
 
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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? 
Intensidade de 1 nW e o comprimento de onda é de 400nm. 
 
3- Calculando: Anote o comprimento de onda (em nm) na Tabela de dados abaixo. 
Calcule a frequência (em Hz) e a energia (em J) do laser utilizando a seguinte equação: 𝑓 = ∁
ఒ
 
e E = h × f, em que c = 3 × 108 m/s é a velocidade da luz no vácuo e h = 6.626 × 10-34 J · s. Não se 
esqueça de converter a unidade do comprimento de onda para metros. Lembre-se de que 109 nm = 
1m. 
Tabela de Dados 
Comprimento 
da Onda (nm) 
Frequência 
(Hz) 
Energia do 
Laser (J) 
Energia cinética dos 
Elétrons emitidos (J) 
Intensidade dos 
Elétrons (J) 
400 7,50e+14 1,00e-09 
410 7,32e+14 1,00e-09 
420 7,14e+14 1,00e-09 
430 6,98e+14 1,00e-09 
440 6,82e+14 1,00e-09 
450 6,67e+14 1,00e-09 
460 6,52e+14 1,00e-09 
470 6,38e+14 1,00e-09 
 
 
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? 
Que a energia do laser incidente na lâmina de sódio é maior do que a energia que mantém os elétrons 
ligados a esta lâmina, fazendo com que os elétrons sejam ejetados da placa metálica. 
 
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? 
Com a diminuição da intensidade do laser o sinal muda de contínuo para intermitente, indicando que a 
quantidade de fótons é proporcional a intensidade da luz incidente de modo que se diminuirmos a 
intensidade também diminuímos o número de fótons. 
 
6- Observando: Mude a intensidade do laser novamente para 1 nW e aumente o comprimento de onda 
para 600 nm. O que você observa na tela de fósforo? 
Não há emissão do sinal de elétrons na tela de fósforo. 
 
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7- Determine o comprimento de onda máximo em que ocorre a emissão de elétrons do metal. 
O comprimento de onda máximo é de 450nm. 
8 - Clique no almoxarifado Stockroom, para entrar. Clique na prancheta e selecione o item 5, 
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. 
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? 
 
Sim, condiz, pois através dos dados da tabela abaixo podemos observar que com o comprimento de 
onda maior de 450nm, não há mais elétrons se desprendendo do metal e nem energia cinética. 
Tabela de Dados 
Comprimento 
da Onda (nm) 
Frequência 
(Hz) 
Energia do 
Laser (J) 
Energia cinética dos 
Elétrons emitidos (J) 
Intensidade dos 
Elétrons (J) 
400 7,50e+14 1,00e-09 0,5679e-19 0,0488 
410 7,32e+14 1,00e-09 0,4571e-19 0,0488 
420 7,14e+14 1,00e-09 0,3324e-19 0,0488 
430 6,98e+14 1,00e-09 0,2216e-19 0,0488 
440 6,82e+14 1,00e-09 0,1247e-19 0,0488 
450 6,67e+14 1,00e-09 0,0277e-19 0,0488 
460 6,52e+14 1,00e-09 0,0000e-19 0,0000 
470 6,38e+14 1,00e-09 0,0000e-19 0,0000 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Análise e conclusão 
9- Desenhando Gráfico: 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 que a forma do grafico demonstra? O que significa, no grafico, quando a energia cinetica cai para 
zero? 
1 - A forma do gráfico demonstra que a energia cinética é inversamente proporcional ao comprimento 
de onda, ou seja, quanto maior o comprimento da onda menor a energia cinética. 
2 – Significa que a partir do comprimento de 460 nm, a energia do laser incidente na lâmina de sódio 
é menor doque a energia que mantém os elétrons ligados a esta lâmina, de modo que a energia 
cinética seja zero. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
0,00E+00
1,00E-20
2,00E-20
3,00E-20
4,00E-20
5,00E-20
6,00E-20
400 410 420 430 440 450 460 470 500
Energia Cinética x Comprimento de Onda
En
er
gi
a 
Ci
né
tic
a 
(J)
 
Comprimento da Onda (nm) 
 
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10 – Desenhando Gráfico: A partir dos dados da tabela, plote a energia do laser versus a energia 
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). 
 
 
Interpretando os dados: Qual a relação entre a energia da luz incidente e a energia dos elétrons 
ejetados do metal? 
Quando a energia do laser for menor ou igual a 1000p/s não há mais elétrons se desprendendo dos 
elétrons da placa de metal e nem energia cinética e quando a energia do laser for maior ou igual a 
1nw a energia cinética é constante de modo que ao aumentar a energia do laser não aumenta a energia 
cinética do elétron. 
 
Observando: 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. 
Os valores de pico aumentam de acordo com que a intensidade é aumentada. 
 
Tirando Conclusões: 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? 
Porque as luzes laranjas tem comprimentos de onda muito altos, tornando impossível a emissão 
dos elétrons. Já nas luzes UV acontece o contrário, como as luzes possuem baixo comprimento de 
onda, favorece a emissão de elétrons, pois estão nas faixas em que ocorrem este processo 
O que importa na formação de fotoelétrons é o comprimento da onda; E como já comentado 
anteriormente, as luzes UV estão nessa faixa de comprimento de onda que favorecem a emissão de 
elétrons. 
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1,00E-20
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3,00E-20
4,00E-20
5,00E-20
6,00E-20
1,00E-12 1,00E-09 1,00E-06 1,00E-03 1,00E+00 1,00E+03 1,00E+06
Energia cinética x Energia do Laser
En
er
gi
a 
Ci
né
tic
a 
(J)
 
Energia do Laser (W)