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UNIVERSIDADE TECNOLOGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE FÍSICA LICENCIATURA EM FÍSICA DISCIPLINA DE ÓTICA CAMILA FERREIRA AGUIAR JANAYNA GOULART MARIA LUCIA DE CAMARGO LINHARES EXPERIMENTO: REDE DE DIFRAÇÃO Trabalho apresentado à disciplina de Ótica, do 7º período do curso de Licenciatura em Física, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Prof. Dr. José Luís Fabris Curitiba 2014 Sumário 1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................... 3 2. OBJETIVOS ............................................................................................................... 8 3. MATERIAIS UTILIZADOS .......................................................................................... 8 4. PROCEDIMENTOS ................................................................................................... 9 5. TRATAMENTO ESTATÍSTICO ............................................................................... 12 6. ANÁLISE DE DADOS .............................................................................................. 14 6.1 DETERMINAÇÃO DO PARÂMETRO DE REDE .................................................... 14 6.2 DETERMINAÇÃO DO COMPRIMENTO DE ONDA ............................................... 18 7. DETERMINAÇÃO DE d E λ PELO MÉTODO NÃO GRÁFICO ................................ 22 7.1 CÁLCULO DE D ..................................................................................................... 22 7.2. CALCULO DE λ .................................................................................................... 25 8. CONCLUSÃO .......................................................................................................... 29 9. REFERÊNCIAS ........................................................................................................ 29 1. INTRODUÇÃO Uma rede de difração é um dispositivo que tem múltiplas fendas ou ranhuras paralelas, equidistantes e de mesma largura. Um feixe de luz que incide nesta rede é difratado e os raios provenientes das diversas fendas interferem formando uma figura de intensidade variável. Esta figura apresenta máximos de intensidade em diversas posições sempre que a diferença de caminho ótico (d senθ) entre os raios provenientes de duas fendas adjacentes, distantes d entre si, for igual a um número inteiro (m = 0, 1, 2, ...) de comprimentos de onda λ. Portanto, ocorrem máximos de intensidade quando d s i nθm=m λ(1 ) onde θm é o ângulo de difração para o máximo de ordem m. Esta equação vale apenas quando os raios incidem normalmente sobre a rede e os raios difratados podem ser considerados paralelos (difração de Fraunhofer). Figura1 - Esquema de difração Utilizando a rede de difração, estamos generalizando o caso para N fen- das idênticas, com seus centros igualmente espaçados de uma distância d. O termo de defasagem entre as contribuições de cada fenda em relação à primei- ra é associado a um termo da forma: e−i k α d , que estende para N fendas pela expressão 2: f (k ,α )= f 1(k ,α ) [1+e −i k αd+e−2 i k αd+⋯+e−(N−1 )i k α d ](2 ) O termo em colchetes é uma progressão geométrica de razão e−i k α d e N termos, e é possível, então, usar a expressão da soma dos termos de uma pro- gressão geométrica, resultando em: f ( k ,α )= f 1 (k ,α )(1−e−N i k α d1−e−i k α d )(3) Fazendo ∆=k α d e elevando a expressão 3 ao quadrado conseguimos obter a intensidade a seguir: I (α )= I 1 (α )( 1−e −∆ 1−e−i ∆ )( 4 ) Elevando os termos do numerador e do denominador teremos: (1−e−i ∆ )2= (1−e i ∆ ) (1−e−i ∆ )=1−ei ∆−e−i ∆+1=2−(e i ∆+e−i ∆) Tendo, pela identidade de Euler, que: e i ∆+e−i ∆=2co s ∆ Vem: (1−e−i ∆ )2=2−2c os ∆=2 (1−co s ∆ )=2(2 s i n2( ∆2 ))=4 s i n2( ∆2 )(5) Para o numerador, os cálculos são semelhantes e teremos: (1−e−∆ )2=4 s i n2(N ∆2 )(6) Substituindo (5) e (6) em (4) vem: I (α )= I 1 (α )( s i n 2(N ∆2 ) s i n2( ∆2 ) )(7 ) Para o caso de N grande, consideraremos (Δ ) ≪1 admitindo assim que: s i n2( ∆2 )≈( ∆2 ) 2 A equação (7), portanto fica: I (α ) I 1 (α ) N 2( s i n 2(N ∆2 ) (N ∆2 ) 2 )c om ( Δ)≪1(8 ) Com gráfico desta função obtemos que os máximos serão encontrados nos pontos: α=s i nθ=m π d c omm=0 ,±1 ,±2 ,… (9 ) Os máximos principais de difração, para N fendas, é dado, portanto, por: s i nθ=m π d (10) Os máximos secundários são muito menos intensos que os principais, por isso não será possível observá-los. Voltando a equação (1), temos os ângulos de difração na rede e a dis- tância entre as fendas relacionadas. Substituindo os parâmetros λ (comprimen- to de onda do laser de He Ne – 638,2 nm), d (distancia ente as fendas da rede ( 1 x10−6m ) e usando o ângulo máximo de difração ( π 2 ), temos que: m= d s i nθ m λ = (1 x 10−6 ) s i n π 2 6,38 x10−7 ≃1,57(11) Essa condição nos informa que, com os equipamentos que utilizaremos neste experimento, somente conseguiremos observar o máximo da ordem de difração (m )=1 . Assim é reescrita a equação (1) como: s i nθm= λ d (12 ) Essa equação será usada tanto para podermos medir a distância d entre as fendas da rede de dispersão, quanto para medir o comprimento de onda desconhecido de um laser. s i nθm= λ d (12 )→d= λ sinθ m →d= λ cateto oposto hipotenusa →d=λ (D²+ y² ) 1 /2 y y= cateto oposto D= cateto adjacente Hipotenusa θ Então o parâmetro (d) encontrado será o slope do gráfico da hipotenusa vezes o comprimento de onda versus y. Para a determinação do comprimento do segundo laser a relação é a seguinte s i nθm= λ d (12 )→λ =d⋅sinθ m→λ=d⋅ cateto oposto hipotenusa →λ =d⋅ y (D²+ y² )1 /2 A figura 2 é uma rede parecida com a utilizada no experimento: Figura 2 - Rede de difração 2. OBJETIVOS • Determinar o parâmetro de rede (com o laser HeNe) • Determinar o comprimento de um laser desconhecido. • Realizar o tratamento dos dados. 3. MATERIAIS UTILIZADOS • Laser He-Ne com valor nominal de comprimento de onda de 632,8nm • Laser com o comprimento de onda desconhecido • Rede de difração com 1000 fendas por mm e constante de rede 1x10E-06m • Banco ótico linear • Suporte para rede de difração • Trena • Régua 4. PROCEDIMENTOS Para determinar o parâmetro da rede de difração, foi necessário fazer a montagem dos equipamentos experimentais de forma que fosse possível mudar a distancia D da rede até o anteparo e medir com uma régua as distanciasY entre o máximo central e os máximos principais. Assim, foi posicionado no suporte a rede de difração sobre o banco ótico, e o laser e anteparo (parede)foram posicionados conforme a imagem abaixo. Figura 3 - Montagem do aparato experimental para a determinação do parâme- tro da rede de difração. Com essa montagem, foi possível produzir, a partir do feixe incidisse na rede de difração, o padrão mostrado na imagem abaixo. Figura 4 - padrão de difração da rede. Com isso, foram medidas cinco distâncias Y, cada uma cinco vezes, e marcadas diretamente em uma planilha no computador. Foram feitas cinco medidas de distâncias e cada uma delas foi medida cinco vezes. Na imagem abaixo, é mostrada a montagem do aparato experimental para determinar o comprimento de onda de um laser qualquer, a partir da rede de difração. Figura 5 - Montagem do aparato experimental para a determinação do compri- mento de onda de um laser desconhecido. Neste experimento foram realizados os mesmos procedimentos do experimento anterior, ou seja, foram feitas cinco medições das distancias D (da rege de difração até o anteparo) e cinco das distancias Y (entre o máximo central e os máximos principais). Todos os resultados foram determinados a partir dos tratamentos estatísticos e das análises gráficas. 5. TRATAMENTO ESTATÍSTICO Para o tratamento estatístico foram utilizadas, primeiramente, as equações da média e do desvio padrão. Média: y= 1N∑n=1 N y i(13) Desvio padrão: σ=√ 1N−1∑i=1 N ( y− y )2(14 ) Para calcular a incerteza final correspondente aos erros estatísticos σ m nas medições: σ m= σ √N (15) Considerando o número pequeno de medidas, é preciso inserir o coeficiente T-studentpara correção: σ m=T⋅ σ √N (16) O erro sistemático associado à menor graduação do equipamento de medida é dado por: σ r= Lr 2⋅√3 (17 ) Onde o limite de erro rL é estimado verificando o manual fornecido pelo fabricante dos equipamentos utilizados, representado pela menor divisão da escala. Assim, a incerteza padrão ( σ p) é dada pela equação: σ f (ω ) 2 =((∂ f (ω )∂ λ ⋅Δ λ) 2 +(∂ f (ω)∂ D ⋅σ D⋅S ) 2 +(∂ f (ω )∂ y ⋅Δ σ y⋅S ) 2 )+(σ y )2(18) Sendo que f (ω )= λ√D ²+ y2(19 ) temos para a parte de determinaçãodo parâmetro de rede ∂ f (ω ) ∂ λ =0(20) ∂ f (ω ) ∂D = λ 2 ⋅(D ²+ y ² ) −1 2⋅2D(21) ∂ f (ω) ∂ y = λ 2 ⋅(D ²+ y ² ) −1 2⋅2 y (22) para determinar λ f (ω)=√D ²+ y2 ∂ f (ω ) ∂ D =1 2 ⋅( D ²+ y ² ) −1 2⋅2D ∂ f (ω ) ∂ y =1 2 ⋅(D ²+ y ² ) −1 2⋅2 y 6. ANÁLISE DE DADOS 6.1 DETERMINAÇÃO DO PARÂMETRO DE REDE A tabela 1 corresponde aos dados experimentais da distância entre o ponto de referência (máximo central) e os máximos principais. Ao total, foram realizadas cinco medições, usando os valores positivos e negativos dos números de ordem, que no caso eram +1 e -1. y1 (mm) y2 (mm) y3(mm) y4(mm) y5 (mm) y médio 128,5 170 213 256 284 128,7 129 171 213 255,5 284,5 170,6 128,5 171 213 255 284 213 129 170 213,5 255,5 284 255,4 128,5 171 212,5 255 284 284,1 Tabela 1: Dados de distância entre os máximos principais, a média da medidas e os números de ordem. A tabela 2 indica os valores do desvio padrão (5), o desvio padrão médio (6), a incerteza residual (7) e as incertezas estatística e sistemática (8). Aqui foi utilizado o T-student com o valor de 2,262, para N-1=4. sigma y sigma médio y sigma r y sigma total y 0,273861279 0,339989176 0,288675135 0,446011181 0,547722558 0,679978353 0,288675135 0,738717736 0,353553391 0,438924139 0,288675135 0,525345347 0,418330013 0,519342045 0,288675135 0,594179681 0,223606798 0,2776 0,288675135 0,400493562 Tabela 2: Desvio padrão, desvio padrão médio, incerteza residual e erro total. Na tabela 3, abaixo, são mostrados os valores das distâncias entre a rede de difração e o anteparo (parede). Essa distancia era alterada a cada medida de Y. D1 (mm) D2 (mm) D3 (mm) D4 (mm) D5 (mm) D médio 163 213 268,5 318 354 162,8 164 213,5 268,5 318,5 353,5 213,4 162 214 269 318 354 268,6 162 213,5 269 318 354 318,2 163 213 268 318,5 354 353,9 Tabela 3: Dados de distância entre os máximos principais, a média da medidas A seguir são mostrados os valores do desvio padrão (5), o desvio padrão médio (6), a incerteza residual (7) e as incertezas estatística e sistemática (8) relacionados a distancia da rede ao anteparo. Aqui foi utilizado o T-studant com o valor de 2,776. sigma D sigma medio D sigma r D sigma total D 0,748331477 0,929027293 0,288675135 0,972843793 0,374165739 0,464513647 0,288675135 0,546906081 0,374165739 0,464513647 0,288675135 0,546906081 0,244948974 0,304095564 0,288675135 0,419293984 0,2 0,248292988 0,288675135 0,380765993 Tabela 4: Desvio padrão, desvio padrão médio, incerteza residual e erro total, relacionados a distância. Ainda é necessário trabalhar com os valores referentes ao seno do ângulo θ mostrado na figura 1, separando o seno em cateto oposto (distancia Y) e hipotenusa ( √D ²+Y ² ). Os valores estão mostrados na tabela abaixo. cateto oposto hipotenusa 128,7 207,5271789 170,6 273,2103951 213 342,8045507 255,4 408,0200975 284,1 453,8259799 Tabela 5: Cateto oposto (y) e hipotenusa. Para plotar o gráfico, utilizada-se a equação (1), onde a constante d é isolada e terá o valor da inclinação da reta do gráfico. O gráfico sem as barras de erros é mostrado abaixo: Gráfico 1: Gráfico da hipotenusa com comprimento de onda pelo y médio. E os valores de análise gráfica, gerados pelo próprio programa, são: Regressão linear ajuste do conjunto de dados: Tabela1_1, usando função: A*x+B Erros padrão em Y: Desconhecido De x = 128,7 a x = 284,1 B (interceptação em y) = 0,00216276939794685 +/- 0,00115361279860529 A (inclinação) = 0,00100370774606414 +/- 5,2989536189617e-06 -------------------------------------------------------------------------------------- Chi^2/doF = 4,41467059820092e-07 R^2 = 0,999916391462393 --------------------------------------------------------------------------------------- Onde B é o valor do slope, utilizados para os cálculos das barras de erros rebatidas para o eixo x. Gráfico 2: Gráfico da hipotenusa com comprimento de onda pelo y médio com barras de erro Regressão linear ajuste do conjunto de dados: Tabela1_1, usando função: A*x+B Erros padrão em Y: Conjunto de dados associado (Tabela1_3) De x = 128,7 a x = 284,1 B (interceptação em y) = 0,00244862054367215 +/- 0,000703337457730919 A (inclinação) = 0,00100246335112419 +/- 2,91996238961585e-06 -------------------------------------------------------------------------------------- Chi^2/doF = 3,64107986708796 R^2 = 0,99990733222839 --------------------------------------------------------------------------------------- Então tem-se que o valor do parâmetro de rede obtido através do gráfico é 0,001±0,292⋅10 −5mm 6.2 DETERMINAÇÃO DO COMPRIMENTO DE ONDA A tabela 5 corresponde aos dados experimentais da distância entre o ponto de referência (máximo central) e os máximos principais. Ao total, foram realizadas cinco medições, usando os valores positivos e negativos do números de ordem, que no caso eram +1 e -1. y1 (mm) y2 (mm) y3 (mm) y4 (mm) y5 (mm) y médio 122 163,5 205 224 256 122,2 122,5 164 205 225 256 163,7 122 164 204 225 256 205,2 122 163,5 206 224 256 224,4 122,5 163,5 206 224 256 256 Tabela 6: Dados de distância entre máximo central e as franjas de interferências e a média da medidas. A tabela 6 indica os valores do desvio padrão (5), o desvio padrão médio (6), a incerteza residual (7) e as incertezas estatística e sistemática (8). Aqui foi utilizado o T-studant com o valor de 2,776. sigma p sigma médio sigma r erro total 0,2738612790,339989176 0,288675135 0,635820552 0,273861279 0,339989176 0,288675135 0,635820552 0,836660027 1,038684091 0,288675135 1,169418563 0,547722558 0,679978353 0,288675135 0,866628926 0 0 0,288675135 0,537284966 Tabela 7: Desvio padrão, desvio padrão médio, incerteza residual e erro total. Na tabela 7, abaixo, são mostrados os valores das distâncias entre a rede de difração e o anteparo (parede). Essa distancia era alterada a cada medida de Y. D1 (mm) D2 (mm) D3 (mm) D4 (mm) D5 (mm) D mé- dio 141 187,5 233,5 257 293 140,9 141 188 234 258 292 188 141,5 188 234 258 293 233,9 140,5 188 234 256 293 257,4 140,5 188,5 234 258 293 292,8 Tabela 8: Dados de distância entre os máximos principais, a média da medidas. A seguir são mostrados os valores do desvio padrão (5), o desvio padrão médio (6), a incerteza residual (7) e as incertezas estatística e sistemática (8) relacionados a distancia da rede ao anteparo. Aqui foi utilizado o T-studant com o valor de 2,776. sigma p sigma médio sigma r erro total 0,418330013 0,519342045 0,288675135 0,747255843 0,353553391 0,438924139 0,288675135 0,693779168 0,223606798 0,2776 0,288675135 0,604761849 0,894427191 1,1104 0,288675135 1,233557171 0,447213595 0,5552 0,288675135 0,772607387 Tabela 9: Desvio padrão, desvio padrão médio, incerteza residual e erro total, relacionados a distância. O gráfico abaixo, sem a barra de erros, serve para achar o valor da inclinação da reta, slope, para que então sejam calculados os valores dos erros que serão rebatidos para o eixo x. Com o gráfico podemos obter o valor do slope (B), que segue na análise abaixo: Gráfico 3: Gráfico de y.d pela hipotenusa Regressão linear ajuste do conjunto de dados: Tabela2_2, usando função: A*x+B Erros padrão em Y: Desconhecido De x = 186,5091150588 a x = 388,931664949 B (interceptação em y) = -0,000985781563057206 +/- 0,000700275767063957 A (inclinação) = 0,000660928900896919 +/- 2,30468227976319e-06 -------------------------------------------------------------------------------------- Chi^2/doF = 1,33341104507514e-07 R^2 = 0,99996352308913 --------------------------------------------------------------------------------------- Agora obtido o slope é posssível aplicar a equação dos erros, e fazer o gráfico de y.d pela hipotenusa com a barra de erros Gráfico 4: Gráfico de y.d pela hipotenusa com barra de erros. Regressão linear ajuste do conjunto de dados: Tabela2_2, usando função: A*x+B Erros padrão em Y: Conjunto de dados associado (Tabela2_3) De x = 186,5091150588 a x = 388,931664949 B (interceptação em y) = -0,00105084831491827 +/- 0,000886151657261014 A (inclinação) = 0,000661124481825474 +/- 2,97574319575898e-06 -------------------------------------------------------------------------------------- Chi^2/doF = 0,360693755134674 R^2 = 0,999978078272418 --------------------------------------------------------------------------------------- Dessa maneira o comprimento de onda λ encontrado foi: 661,12⋅10−6±297⋅10−8mm 7. DETERMINAÇÃO DE d E λ PELO MÉTODO NÃO GRÁFICO Pode-se usar outro jeito de calcular tanto a distancia d entre as fendas quanto o valor de λ . 7.1 CÁLCULO DE D Utilizando os mesmos valores anteriormente, primeiramente para a dis- tância entre as fendas, plotamos o gráfico de ymédio por D. Gráfico 5: Gráfico de y por D. Com o gráfico conseguimos os valores do slope e de seu erro S 1=0,812 e σ S1=0,00 7 Com esse valor conseguimos obter o erro total com a equação a seguir: σ t=√σ py2 + (S 1σ pD )2 Ficando com os valores de: 0,90715454 0,861923816 0,6878928 0,6848095 0,505950688 Tabela 10: Erro total Esse valor então é colocado como o erro do gráfico para rebater o erro para o eixo y. Temos então o gráfico com erro: σ pt Gráfico 6: Gŕafico de y por D com barras de erro. E obtivemos os seguintes valores do slope: S 2=0,814 eσ S 2=0,005 Esse S2 é o valor da tangente da reta, e conseguimos obter, então, o va- lor do ângulo pela equação: Seu erro é propagado pela seguinte equação: Temos assim o valor do ângulo e seu erro asso- ciado σ pθ 2 =σ pS2 2⋅( 11+S 22 ) 2 (23) θ σ pθ 0,683016808 0,002800138 Tabela 1: Ângulo e erro associado ao ângulo Retomando a equação (1), podemos reescrevê-la como: d= λ sin θ (24) Chamando z=sin θ tem-se que seu erro será: σ pz 2 =σ pθ 2 ⋅(cosθ )2(25) Então o erro total de d será: σ pd 2 =σ pz 2 ( λz 2 ) 2 =σ pz 2 ( λ(cos θ )2 ) 2 (26) Assim temos o valor de d e seu erro associado, em metros: d=(0,001 )± (0,345×10−8)mm 7.2. CALCULO DE λ Para o calculo do valor de λ , também usaremos as mesmas medidas para os valores de y e D e seus erros associados, vistos anteriormente. Primeiro plotamos o gráfico de y por D sem a barra de erro Gráfico 7: Gráfico de y por D. Com seus erros associados: No qual temos: S 1=0,881e σS 1=0,005 Com esse valor conseguimos obter o erro total com a equação a seguir: σ t=√σ py2 + (S 1σ pD )2(27) Ficando com os valores de: 0,837322814 0,777558302 1,651183533 1,931157142 0,751612431 Tabela 12: Erro total Esse valor então é colocado como o erro do gráfico para rebater o erro para o eixo y. Temos então o gráfico com erros. Gráfico 8: Gráfico de y por D com barras de erro. E seus erros associados: σ pt Obtendo assim: S 2=0,881e σ S 2=0,007 Esse S2 é o valor da tangente da reta, e conseguimos obter, então, o va- lor do ângulo pela equação: S 2=tan θ→θ=tan −1S2 Seu erro é propagado pela seguinte equação: σ pθ 2 =σ pS2 2⋅( 11+S 22 ) 2 (23) Temos assim o valor do ângulo e seu erro associado 0,722181511 0,003946089 Tabela 13: Ângulo e seu erro associado. Retomando a equação (1), podemos reescrevê-la como: λ=d∗sin θ Chamando z=sin θ tem-se que seu erro será: σ pz 2 =σ pθ 2 ⋅(cosθ )2(28) Então o erro total de d será: θ σ pθ σ p λ 2 =σ pz 2 (d⋅z )2=σ pz 2 (d⋅cosθ )2(29) Assim temos o valor de λ e seu erro associado, em metros: λ=(661×10−9 )± (222×10−11 )m 8. CONCLUSÃO Com esse relatório foi apresentada os valores tanto pelo método gráfico quanto pelo método não gráfico, e pelos dois métodos os valores encontrado foram aproximados . Pelo método gráfico os valores foram: d=0,001±(0,292⋅10−5)mm λ =661,12⋅10−6±(297⋅10−8)mm Pelo outro método os valores foram os seguintes: d=0,001± (0,345×10−5)mm λ=(661×10−9 )± (222×10−8 )mm Por comparação os valores são bastante próximos, tendo diferença apenas em casas decimais, o que há de mais diferença são os valores dos erros. Para o valor de d o segundo método apresentou o maior valor, já para o valor de λ o primeiro método apresenta uma valor maior. Os dois métodos tanto para d quanto para λ apontam valores próximos, com isso não é definido qual o melhor método para encontrar tais valores, temos que o parâmetro de rede d obtido foi de encontro ao valor que estava na rede de difração. 9. REFERÊNCIAS FABRIS, José L.; MULLER, M. Fundamentos da Física Experimental: Um Guia para as Atividades de Laboratório. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. – Curitiba, 2012. NUSSENZVEIG, H. M. Curso Básico de Física: Volume 4. EditoraBlücher, 2003. 1. INTRODUÇÃO 2. OBJETIVOS 3. MATERIAIS UTILIZADOS 4. PROCEDIMENTOS 5. TRATAMENTO ESTATÍSTICO 6. ANÁLISE DE DADOS 6.1 DETERMINAÇÃO DO PARÂMETRO DE REDE 6.2 DETERMINAÇÃO DO COMPRIMENTO DE ONDA 7. DETERMINAÇÃO DE d E λ PELO MÉTODO NÃO GRÁFICO 7.1 CÁLCULO DE D 7.2. CALCULO DE λ 8. CONCLUSÃO 9. REFERÊNCIAS
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