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Relatório sobre a prática laboratorial da disciplina de física moderna que aborda o estudo e construção do interferômetro de michelson, seu funcionamento, história e aplicação na determinação da velocidade da luz e refração do ar.
Tipologia: Provas
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Universidade Federal do Ceará
Departamento de Física
Disciplina: física moderna - CD 0354 - 2022.
Bancada: Sybele Lanuccy A. B. da S; Vinicius dos Santos e Antonio Iury Melo
Prof. O Dr. J. Alves de Lima Junior
Sybele Lanuccy Alves Barros da Silva
Matrícula:
Fortaleza-CE 01 de abril de 2022
A Priori para que possamos demonstrar como ocorreu o experimento do
interferômetro de Michelson, vamos entender inicialmente os fundamentos deste
experimento e sua breve história para que só assim possamos entender sua execução.
Inicialmente o físico James C. Maxwell, já havia calculado ao final do século XIX, que
qualquer radiação eletromagnética viaja no vácuo com uma velocidade ≈ 300. 000 𝐾𝑚 ⁄𝑠.
Até então, esta velocidade predita teoricamente para a velocidade da luz, seria em relação
a quê e em qual referencial deveria ser medida essa velocidade para que obtivéssemos
esse valor como resultado. Sabiam que essa resposta não está nas equações de Maxwell,
os cientistas da época acreditavam que à luz propagava-se uma substância que preenche
todo o espaço chamando-o de Éter. Vale observar, se isso fosse correto era de se esperar
diferentes valores para essa velocidade, dependendo do movimento do observador
relativo ao meio no qual a luz se propaga.
Logo, se um observador se move com velocidade 𝑣 em relação a esse meio, a
medida da velocidade da luz poderia estar dentro de um intervalo que contemplasse um
valor máximo (𝑐 + 𝑣) ou mínimo (𝑐 − 𝑣). Temos que se as transformações de Galileu
pudessem ser aplicadas para a luz, teríamos que para um observador que se move num
referencial com velocidade 𝑣 em relação ao Éter, medidas para velocidade da luz, valores
que estariam compreendidos entre (𝑐 − 𝑣)𝑒(𝑐 + 𝑣). Então, se isso fosse possível, ocorreria
um fenômeno em que acontece com ondas luminosas, análoga ao que ocorre com ondas
sonoras, o estrondo sônico. No caso da luz, será que seria possível que algum observador
se deslocando muito próximo da velocidade da luz, mediria uma velocidade diferente para
ela? E até mesmo será que seria possível ainda pensarmos em um fenômeno similar ao
estrondo sônico acontecendo com a luz? Tendo em vista isso, vários cientistas tentaram
medir uma velocidade de propagação diferente para a luz do que eles já haviam previsto
pelas equações de Maxwell. Só em 1880, os cientistas decidiram usar o movimento do
planeta terra na tentativa de obter melhores resultados e em 1881 o físico A. A. Michelson
com seu experimento com interferômetro, um aparelho utilizado para efetuar medidas de
ângulos e distâncias aproveitando a interferência de ondas eletromagnéticas que ocorrem
quando estas interagem entre si. Obtém-se um resultado, em que a velocidade da terra
através do Éter era zero em qualquer época do ano.
Figura (1.2) - Figura representativa demonstrando o Éter, onde constitui-o no experimento de Michelson
ao medir a velocidade da luz aproveitando-se o movimento e da velocidade translação da terra, utilizando
um aparato que ficou conhecido como interferômetro de Michelson- Morley.
Fonte (1.2): Elaborado pelo autor.
Figura (1.3): Figura representativa do experimento interferômetro de Michelson, onde foi utilizado na
época uma lâmpada que seria utilizada como fonte luminosa, tendo um semi espelho, em que transmite e
reflete cinquenta porcento da luminosidade e dois espelhos M1 e M2 que refletem cem porcento. Então,
quando a luz bate no semi-espelho, cinquenta porcento irá bater no M1 e retorna para o anteparo, o mesmo
ocorrendo para M2.
Fonte (1.3): Elaborado pelo autor.
Tendo em vista, tudo que mencionei até agora, podemos comentar como foi
efetuado os dois procedimentos do experimento em sala de aula. Inicialmente, o professor
mostrou os aparelhos como foram mencionados na seção 1.2 – Material. A princípio,
iniciamos o primeiro experimento ligando o laser He-Ne, colocando-o em cima de uma
base de MDF para aumentar sua base. Em seguida, para que pudéssemos ter um maior
número de franjas de interferência, o interferômetro foi ajustado, então não utilizamos
ainda a lente. Já com o aparelho ligado, o laser atingia incidindo o espelho
semitransparente, onde dividia-se, com isso já no anteparo os dois feixes projetavam-se
nele formando dois pontos luminosos com isso, na base interferômetro efetuamos
movimentamos em dois parafusos macrométrico, fixados um dos espelhos,
movimentamos até que os dois pontos coincidissem. Só depois disso, colocamos a lente
f = 20 cm com seu suporte próximo da saída do laser e em direção ao interferômetro.
Logo em seguida, movimentamos a lente até que fosse possível ver no anteparo a
expansão dos pontos de luz de modo que pudéssemos ver a formação de círculos
concêntricos como podemos ver na figura (1.1) , com isso obtemos o seguinte resultado
como mostramos na imagem abaixo:
Figura (1.4): A fotografia abaixo mostra a aparição de franjas com um padrão de construção e destruição.
Após isso com a bomba de vácuo manual retiramos o ar lentamente da célula de
vidro enquanto fazíamos a contagem com a repetição de interferência construtiva ou
destrutiva que se sucedem. Tendo que a leitura era feita pelo manômetro da bomba de
vácuo tem um valor negativo, pois representava a queda de pressão ∆𝑝 em relação à
pressão atmosférica inicial de 1013 𝑚𝑏𝑎𝑟. Anotamos a variação de pressão, ∆𝑝, para cada
variação de um comprimento de onda no caminho ótico, repetimos o experimento pelo
menos três vezes e contabilizamos na tabela abaixo:
Tabela (1.2): Dados obtidos do segundo experimento do interferômetro de Michelson contabilizados na
tabela abaixo:
∆𝑝(𝑚𝑏𝑎𝑟)
∆𝑝
( 𝑚𝑏𝑎𝑟
)
∆𝑝(𝑚𝑏𝑎𝑟)
∆𝑝𝑚é𝑑𝑖𝑜
( 𝑚𝑏𝑎𝑟
)
Pressão 𝑝
0
𝑚
(mbar)
1 - Qual o comprimento de onda da luz do Laser obtido experimentalmente (valor médio)?
R: 593,3nm
2 - Com relação ao comprimento de onda obtido experimentalmente, qual o erro percentual
em relação ao valor fornecido pelo fabricante?
39 , 5 ÷ 632 , 8 = 0 , 0624
0 , 0624 𝑥 100 = 6 , 2 %
3 - Faça o gráfico da pressão versus N de acordo com os dados da Tabela 1.2:
R: Gráfico (1.1): Gráfico da pressão versus N.
Fonte: Elaborado pelo autor.
0
0 2 4 6 8
P vs N
Linear (P vs N)
4 - Determine a partir do gráfico da questão anterior o índice de refração do ar. A célula
de vidro tem 1,0 cm de espessura e o comprimento de onda do LASER utilizado é 632,
nm.
R: Sendo gráfico determinado, pela equação (1.5) da prática, obtemos que:
− 7
− 1
Sabendo disso, substituindo o valor encontrado na equação (1. 2 ) da prática e tendo em
vista o valor da pressão atmosférica, obtemos:
5 - Determine de quantos milímetros deveríamos deslocar o espelho móvel para obtermos
100 repetições do padrão de interferência se for usado um LASER verde de comprimento
de onda de 525 nm.
R: temos que:
6 - A partir do índice de refração do ar obtido experimentalmente nesta prática, determine
a velocidade da luz no ar com 6 algarismos significativos.
7 - Considerando que o índice de refração do ar determinado nesta prática é válido para
uma pressão de 1013 mbar, calcule com base nos resultados experimentais desta prática
o índice de refração do ar para uma pressão de 506,5 mbar:
R: Usando (1.2) da prática:
− 7
8 - Obtenha da literatura o índice de refração do ar. Cite as condições de temperatura,
pressão e comprimento de onda. Não deixe de citar a fonte.
A Priore, temos a primeira prática laboratorial da disciplina de física moderno nós
trazemos a aplicação de um postulado cientifico. Sabe-se que dela, os alunos do curso de
física iram construir a perspectiva analítica sobre a matéria apresentada tanto na parte
teórica, quanto nas aulas no laboratório de física moderna. Tendo em vista isso, temos
que o interferômetro de Michelson nos mostra o quanto a natureza tende a simplicidade
para a explicações das grandezas físicas em suas propriedades. Sabendo disso temos que
a prática I sobre interferômetro de Michelson, nos traz o questionamento sobre as
propriedades das ondas eletromagnéticas. Tendo mesmo com as equações de Maxwell,
ainda se via a necessidade de comprovação experimental sobre a existência de um
possível meio de propagação para ondas, mesmo com as especulações, somente com o
experimento bem sacado e desenvolvido pelo físico Michelson concluirmos a não
existência do Éter. Já sabendo que seu aparato nós trazemos uma verdade, poderíamos
reproduzi-la e retira a mesmas conclusões. Por tanto, já no laboratório com os aparatos
todos em mãos, um grupo com três estudantes com o manuseio dos aparelhos fornecidos
