Apols 1 a 5 Física Óptica e Princípios de Física Moderna

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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 ModernaExperimento 28 - Difração e interferência
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 ficarem 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
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. 
3 - Fazendo previsões
 
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 4 - Tirando conclusões
 
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.
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. 5 - Observando
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.
Mude a distância entre as fendas para 1 μm. Observe o padrão exibi-7 - Interpretando dados
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;
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 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?12 - Aplicando conceitos
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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aluno: aNDRÉ LUIZ DE MELO LIRIA
rU: 1588228
BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA - Módulo A - 2018 FASE II
Atividade prática - FísicaÓptica e Princípios de Física Moderna
Experimento 34 - O efeito fotoelétrico
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). Interruptor
Almoxarifado
Lâmina
de sódio
Laser
Habilidades em foco
Calcular, observar, desenhar gráfi cos, interpretar dados, tirar conclusões.
Procedimento
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: 
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.
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
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). 
Comprimento da Onda (nm)
Energia Cinética (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 do que a energia que mantém os elétrons ligados a esta lâmina, de modo que a energia cinética seja zero. 
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).
Energia do Laser (W)
Energia Cinética (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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