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Relatório apresentado para compor a nota da disciplina Base Experimental das Ciências Naturais, sob orientação do Prof. Dr. Jean Jacques Bonvent.
Tipologia: Provas
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Relatório apresentado para compor a nota da disciplina Base Experimental das Ciências Naturais, sob orientação do Prof. Dr. Jean Jacques Bonvent.
Descobrir o que é a luz e os fenômenos a ela relacionados sempre despertaram a curiosidade do homem. Existem relatos desde a antiguidade sobre reflexão, refração, visão, utilização de espelhos e lentes, propagação, velocidade, origem e natureza da luz. Muitas discussões e controvérsias surgiram, mas as mais acirradas foram sobre a natureza e a velocidade da luz, assuntos que estão inseridos em um ramo da Física denominado Óptica Física. O filósofo grego Aristóteles (384-322 a.C.) foi a primeira pessoa, que se tem notícia, a adotar a natureza ondulatória da luz, pois para ele a luz era uma espécie de fluído imaterial que chegava aos nossos olhos, vindo dos objetos visíveis, através de ondas. Durante os séculos XVI e XVII, durante o período Renascentista, se deu uma revolução artística e científica. Os cientistas começaram a estudar a natureza através de seus experimentos. Inventaram muitos experimentos que permitiram uma maior experimentação quantitativa. No campo da óptica destacam-se dois: o telescópio e o microscópio. E foi durante esse período que Leonardo da Vinci, estudando a óptica e a natureza da luz, notou a semelhança entre a reflexão da luz e o fenômeno do eco e levantou a hipótese de que a luz era um movimento ondulatório. Na busca pela definição sobre a natureza da luz surgiram, no século XVII, duas correntes de pensamento científico: a teoria corpuscular da luz, que era defendida por Newton; e o modelo ondulatório da luz, que era defendido por Christian Huyghens. Segundo Isaac, a luz era formada por partículas; já Huyghens defendia a hipótese de que a luz era uma onda. Estava montado o grande palco onde ocorreu a mais célebre discussão a respeito da natureza da luz, de um lado Huygens e seu modelo ondulatório, de outro Isaac Newton e seu modelo corpuscular. O conceito de corpúsculo, ou partícula, é completamente diferente do conceito de onda; uma partícula transporta matéria, uma onda não, uma partícula pode se locomover no vácuo, uma onda necessita de um meio para se propagar (nesse período era o que se pensava), uma onda atravessa obstáculos menores que seu comprimento, uma partícula não, enfim, para a Física Clássica ou a luz era uma coisa ou outra, consequentemente, ou aceitava-
se o modelo ondulatório ou aceitava-se o modelo corpuscular, um descartava o outro e foi o que aconteceu por um certo período. O modelo de Newton prevaleceu sobre o de Huygens porque, além de sua explicação para as cores da luz ser bem coerente, sua fama pesou muito na escolha do “melhor” modelo. Derrubar um mito nunca foi fácil, por isso aceitar o modelo contrário ao de Newton foi um trabalho bastante árduo enfrentado por alguns cientistas tendo à frente Thomas Young (1773-1829). Motivado pelo estudo da visão, Young questionou várias afirmações da teoria corpuscular de Newton. Ele não via nexo na explicação newtoniana quando pensava no fato de que a luz tinha a mesma velocidade mesmo sendo emitida por corpos diferentes e porque certos corpúsculos eram refletidos e outros refratados, pensava que uma teoria ondulatória explicaria bem melhor esses fenômenos. Young considerou que se a luz fosse ondas, elas poderiam, assim como as ondas do mar, anularem-se umas às outras ou intensificarem-se e foi nesse sentido que trabalhou para explicar o fenômeno da interferência, estudado por ele através do experimento da dupla fenda. Além da explicação sobre interferência luminosa, explicou, de forma bem simples, como eram formados os conhecidos “anéis de Newton” supondo que cada cor correspondia a um determinado comprimento de onda próprio. Interessante que Young utilizou dados do próprio Newton em seus trabalhos, como pode ser observado nos originais. Quanto ao fenômeno da difração e da dupla refração, as explicações de Young deixaram a desejar, por isso foi feito um desafio para que se apresentasse à Acadèmie des Sciences uma teoria matemática para explicar os fenômenos. O prêmio para a explicação matemática do fenômeno da difração foi para Augunstin Fresnel (1788-1827), defensor da teoria ondulatória da luz. Fresnel, utilizando raciocínios matemáticos, explicou a propagação retilínea da luz, as leis de Descartes (refração) e a difração. Porém, com as descobertas de outros cientistas como o quantum de Max Planck, no sucesso ao descrever as linhas espectroscópicas do átomo de hidrogênio de Niels Bohr, Albert Einstein publicou um trabalho tratando da natureza da luz, aonde em seus experimentos demonstravam que a luz ser uma onda não descarta sua natureza corpuscular. Com o advento da Física e a Mecânica Quântica, uma visão mais completa a respeito da natureza da luz pode ser obtida, por isso hoje
Entender os conceitos de difração e interferência da luz. Observar o padrão de difração da luz que incide em um fio de cabelo. Utilizar a observação descrita acima para calcular a espessura de um fio de cabelo. Observar a interferência da luz que passa por uma rede de difração de transmissão (múltiplas fendas). Calcular a distância entre duas trilhas de um CD e de um DVD (duas fendas). Observar padrões de difração e interferência em meios diferentes (ar e água). Calcular o índice de refração da água.
Neste experimento foram utilizados os seguintes materiais:
Lápis Papel Milimetrado Régua Fonte laser , classe II, 1 ~ 65nm e P 1mw CD transparente Suporte com regulador de altura DVD transparente Béquer com água Fio de Cabelo (de um dos integrantes do grupo)
3.1 Procedimentos
Determinação da espessura e um fio de cabelo Inicialmente, em um ambiente parcialmente escurecido o papel milimetrado foi aberto na vertical com auxilio de um suporte horizontal. Um LASER foi colocado sobre um suporte com regulador de altura na frente do papel e um fio de cabelo foi disposto na frente do laser. Desta forma ao ligar o LASER uma imagem, observada
no papel, com região central clara, com intensidade máxima, ladeada por regiões claras e escuras pode ser observado no sentido oposto ao do fio, como o fio foi disposto na vertical o feixe projetado no papel aparece na horizontal. Com uma régua foi medida a distancia L entre o fio de cabelo e o anteparo, sendo que variamos esta distância por algumas vezes, e foi medida a distância entre o máximo central e o primeiro mínimo do padrão de difração ∆xn.
Determinação da distância entre duas trilhas nas mídias de CD e DVD Substituindo o fio de cabelo por uma secção de CD e depois de DVD, no mesmo ambiente em que realizamos o procedimento anterior, com uma régua foi medida a distancia L entre o máximo central e primeiro máximo por algumas vezes, variando a distância entre o anteparo e a secção.
Determinação do índice de refração da água O mesmo procedimento realizado na determinação da distância entre as trilhas de CD e DVD, sendo colocado um béquer vazio entre as Secções e em seguida direcionado o laser e medida a distancia entre o centro do máximo central e o primeiro Maximo do padrão de refração. Essas mesmas etapas foram realizadas com o béquer cheio de água.
Então, aplicando-se o valor do comprimento de onda do laser , agora dado por λ, e os valores de Δx1 para seu respectivo L, obtivemos os seguintes resultados mostrados nessa tabela:
TABELA 2: Espessura do fio de cabelo (d) através das medidas obtidas Medidas λ (mm) L1 (mm) Δx1 (mm) d (mm) 1ª med. 655 / 10^6 585 3 0, 2ª med. 655 / 10^6 635 4 0, 3ª med. 655 / 10^6 685 4 0, 4ª med. 655 / 10^6 735 4,5 0, 5ª med. 655 / 10^6 785 4,6 0, 6ª med. 655 / 10^6 835 5 0, 7ª med. 655 / 10^6 885 5,5 0, 8ª med. 655 / 10^6 935 5,6 0, 9ª med. 655 / 10^6 985 6 0, 10ª med. 655 / 10^6 1035 6,5 0,
Após os resultados das medidas de espessura do fio de cabelo para cada medida de Δx1 e L1, calculamos uma média entre essas espessuras, dando assim a espessura média do fio de cabelo coletado (d (média)), que foi de:
Posteriormente à realização da Parte B do experimento, obtivemos resultados das medições. Medimos a distância entre o anteparo e as mídias de CD e DVD (L2 e L respectivamente) e a distância entre o centro do máximo central e o “primeiro máximo” do padrão de difração (Δxm, e como m=1, então Δx1). E formamos as tabelas das medidas a seguir:
d (média) = 0,109855 mm
TABELA 3: Medidas para a mídia de CD (Compact Disc) Medidas L2 (cm) Δx1 (cm) 1ª med. 9 5, 2ª med. 14 6, 3ª med. 16,5 9 4ª med. 19 10, 5ª med. 24 12,
TABELA 4: Medidas para a mídia DVD (Digital Video Disc) Medidas L3 (cm) Δx1 (cm) 1ª med. 8,8 7 2ª med. 11 10,
Após as medidas, calculamos a distância entre duas trilhas das mídias de CD e DVD, dada pela equação de difração da fenda como dsenθ = mλ , e que após assumir m = 1 que determina senθ ~ tgθ ~ θ , se reduziu à mesma equação para determinação da espessura do fio de cabelo, porém agora para a determinação da distância entre as trilhas:
d = λL / Δx 1
Então, aplicando-se o valor do comprimento de onda do laser , agora dado por λ, e os valores de Δx1 para seu respectivo L, obtivemos os seguintes resultados mostrados nessa tabela para a mídia de CD:
Após os resultados das medidas distância entre duas trilhas para mídia de DVD para cada medida de Δx1 e L3, calculamos uma média entre essas distâncias, dando assim a distância média entre duas trilhas da mídia de DVD (d (média)), que foi de:
Quanto a Parte C do experimento, obtemos resultados das medições. Medimos a distância entre o centro do máximo central e o “primeiro máximo” do padrão (Δxm, e como m=1, então Δx1) tanto para a metade do béquer sem água e com água. Assim, obtivemos a distância do padrão no ar (Δxm [ar]) e a distância do padrão na água (Δxm [água]), e calculamos o índice de refração da água (n(água)) através da razão entre eles. E formamos seguinte tabela:
TABELA 7: Índice de refração da água (n) Δxm [ar] (cm) Δxm [água] (cm) n (água) 5 3,1 1,
Obs.: O índice de refração da água tomado como referência real é de 1,33.
Conforme toda a gama de resultados obtidos, realizamos uma discussão e percebemos que, em alguns casos, as medidas obtidas, por exemplo, das distâncias entre máximos de padrão (Δxm) para mídias de CD e DVD, obtiveram grandes diferenças, e que também em certas medições na parte A do experimento, acerca da espessura do fio de cabelo, houve algumas diferenças significativas quando as medidas foram comparadas. Isso se deve, provavelmente, ao erro e falta de precisão e cuidado na hora da medição dessas dimensões durante o experimento. Uma das diferenças maiores observadas foi justamente a diferença das distâncias entre duas trilhas para a mídia de DVD (d), a qual foi muito grande, e isso se deve ao erro, à falta de precisão na hora da amostragem, da medida, o que resultou em grande diferença, podendo diferenciar-se muito da medida real. Outro ponto observado foi a da parte C do experimento que, ao calcular o índice de refração da água (n(água)), e comparar com o índice de referência real, percebeu-se uma grande
d (média) = 745,278 nm
alteração também. Logo, essa parte também foi afetada por erro de medição e atenção na hora do manuseio dos equipamentos como laser e béquer. Além disso, os resultados também podem diferenciar-se do real, talvez por erros de cálculo ou precisão de valores, que foram afetados por sua vez, por falta de exatidão de medições.
AYALA, Alejandro Pedro. Óptica: Natureza da Luz. Disponível em: . Acesso em 12 de julho de 2010.
Centro de Divulgação Científica e Cultural da USP – A Natureza da Luz: onda ou partícula. Disponível em: . Acesso em 12 de julho de 2010.
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Centro de Divulgação Científica e Cultural da USP – Fenômeno da Interferência de Ondas. Disponível em: . Acesso em 12 de julho de 2010.
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