Relatórios Física Experimental 2, Exercícios de Física Experimental

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U ÓPTICA GEOMÉTRICA: REFLEXÃO DA LUZ Heloyse Reges Chaves Campina Grande – PB 2021 UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE CENTRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA UNIDADE ACADÊMICA DE FÍSICA LISTA DE FIGURAS Figura 1: Elementos de um espelho côncavo.............................................................. 8 Figura 2: Elementos de um espelho convexo.............................................................. 9 Figura 3: Representação dos espelhos esféricos em uma colher. .............................. 9 Figura 4: Sistema montado para realização dos experimentos 01, 03 e 04. ............. 11 Figura 5: Exp. 01 - Posição da lente e do diafragma de uma fenda. ......................... 12 Figura 6: Sistema montado para realização do experimento 02. .............................. 13 Figura 7: Exp. 03 e 04 - Posição da lente e do diafragma de 5 fendas. .................... 14 Figura 8: Sistema montado para realização do experimento 05. .............................. 16 Figura 9: Exp. 03 – Estudo do espelho côncavo. ...................................................... 19 Figura 10: Exp. 03 – Elementos de um espelho côncavo. ........................................ 19 Figura 11: Raio incidente paralelo ao eixo principal – Espelho côncavo. .................. 20 Figura 12: Raio incidente pelo centro de curvatura – Espelho côncavo. ................... 20 Figura 13: Raio incidente passando pelo vértice – Espelho côncavo. ....................... 20 Figura 14: Exp. 04 – Estudo do espelho convexo. .................................................... 21 Figura 15: Exp. 04 - Elementos do espelho convexo. ............................................... 21 Figura 16: Raio incidente paralelo ao eixo principal – Espelho convexo. .................. 22 Figura 17: Raio incidente pelo centro de curvatura – Espelho convexo. ................... 22 Figura 18: Raio incidente passando pelo vértice – Espelho convexo ........................ 23 Figura 19: Exp. 05 - Representação da imagem projetada no anteparo. .................. 24 3.5. EXPERIMENTO 05: DETERMINAÇÃO DA DISTÂNCIA FOCAL DE UM ESPELHO CÔNCAVO .......................................................................................... 23 4. CONCLUSÃO ..................................................................................................... 25 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 26 ANEXO ..................................................................................................................... 27 6 1. INTRODUÇÃO 1.1. O ESTUDO DA LUZ: ÓPTICA GEOMÉTRICA De acordo com Balzuweit et. al. (2008) a física é uma ciência de caráter prático, que baseia suas contribuições em análises quantitativas e qualitativas. Através da física, que permeia as áreas ainda da química, da biologia e afins, é possível construir pontes de interdisciplinaridade que possibilitam a elucidação das principais leis que regem os fenômenos naturais. Dentre os objetos de estudo da física, a luz é um dos que possuem maior destaque. Isto porque, segundo Young e Freedman (2016), a natureza da luz é uma grande curiosidade para os estudiosos da área; as duas teorias aplicáveis que explicam o aspecto da luz são: a corpuscular e a ondulatória. Estes autores explicam que, na teoria corpuscular, a luz é tratada como pacotes distintos de energia luminosa, os fótons. Nascimento et al. (2019) explica que, na teoria ondulatória, a luz é tratada como ondas eletromagnéticas oscilantes que se propagam no espaço e é esta mesma teoria que explica os fenômenos de reflexão, refração, difração e afins. Para entender as imagens e como elas são formadas, precisamos apenas do modelo da descrição da luz por meio de raios, das leis de reflexão e refração (...) e de um pouco de geometria e trigonometria. O papel central desempenhado pela geometria em nossa análise é o principal motivo de usarmos o nome ótica geométrica para designar o estudo da formação de imagens. (YOUNG & FREEDMAN, 2016) 1.2. ÓPTICA GEOMÉTRICA: REFLEXÃO DA LUZ Nascimento et al. (2019, p.10) explica o fenômeno de reflexão da luz exemplificando a incidência de um raio luminoso em um bloco de vidro transparente; para esta situação, por se tratar de um objeto transparente, parte da onda luminosa penetra no bloco e segue seu movimento dentro das condições possíveis, no entanto, 7 outra parte volta a se propagar no ar. Diz-se, portanto, que a parte que retorna ao seu meio de incidência sofreu reflexão. O feixe de luz que se dirige à superfície é denominado de raio de incidência, e imagina-se que este raio incide na superfície faz um ângulo Î com a normal a superfície no ponto de incidência e um ângulo 𝑟𝑟 raio de reflexão e a parte que continua a se propagar no vidro muda de direção e é denominado de raio refratado formando um ângulo R, com a normal a superfície no ponto de incidência. (NASCIMENTO et al., 2019, p.10) Para tal, Young e Freedman (2016) elucidam que, de acordo com a lei da reflexão: I. Todo raio que atinge a superfície, o ângulo de incidência (𝜃𝑖) é igual ao ângulo de reflexão (𝜃𝑟); II. Considerando uma superfície de incidência plana, a normal é sempre perpendicular à superfície, em todos os seus pontos. Nascimento et al. (2019) classifica a reflexão em seis categorias, sendo elas: reflexão externa, quando ocorre no meio menos refringente; reflexão interna, quando ocorre no meio mais refringente; reflexão regular/especular, quando ocorre em superfícies planas; reflexão irregular/difusa, quando ocorre em objetos rugosos e adquirem direções indefinidas que se interceptam; reflexão geral/uniforme, refletida por um corpo branco com intensidade próxima as componentes da luz branca; reflexão seletiva, que ocorre em corpos de cor, iluminados com luz branca e refletem com mais intensidade os componentes coloridos da luz branca (objetos que mudam de cor quando submetidos a luz branca). 1.3. PREPARAÇÃO DE REFLEXÃO 1.3.1. Espelhos planos Para tornar o estudo da reflexão palpável, imagina-se uma pessoa posicionada à frente de um espelho; esta pode analisar que: o tamanho da imagem no espelho 10 Analisando a imagem refletida pela parte externa da colher, tem-se que esta será virtual, direita e menor que o objeto. Nascimento et al. (2019) pontua que, para espelhos convexos, a imagem independe da posição do objeto, sendo sempre virtual, direita e menor. 11 2. MATERIAIS E MÉTODOS Seguindo a metodologia exposta no livro texto da disciplina (NASCIMENTO et al., 2019), bem como os materiais audiovisuais propostos, montou-se para os experimentos 01, 03 e 04 o sistema representado na figura 4. Para os experimentos 02 e 05, montou-se sistemas independentes, expostos ao longo deste tópico. Figura 4: Sistema montado para realização dos experimentos 01, 03 e 04. Fonte: Azeheb – Laboratórios de Física. Adaptada pela autora. Para montagem deste sistema, utilizou-se: • Fonte de luz branca 12V – 12W; • Chave liga-desliga; • Alimentação bivolt; • Sistema de posicionamento de filamento; • Base metálica (8 x 70 x 3 cm); • 2 mantas magnéticas; • Cavaleiro metálico; • Suporte para disco giratório; • Lente de vidro convergente plano-convexa com Ø = 60mm e distância focal de 12cm em moldura plástica com fixação magnética; • Disco giratório Ø23cm com escala angular e subdivisões de 1º. 2.1. EXPERIMENTO 01: ESPELHOS PLANOS 2.1.1. Materiais 12 • Diafragma de uma fenda; • Espelho plano. 2.1.2. Métodos Após exibição do vídeo auxiliar (EXP01-..., 2019) e utilizando o sistema da figura 4, no cavaleiro metálico acoplado ao suporte magnético, acopla-se também o diafragma de uma fenda de um lado e a lente convergente do outro (conforme figura 5); liga-se a fonte de luz, ajustando a posição do sistema para que o filamento da lâmpada fique no foco da lente e no centro do disco giratório. Sobre o disco, coloca-se o espelho plano. Gira-se o disco de forma que o ângulo de incidência da luz varie de 10º em 10º (de 0º a 70º). Em uma tabela, dispõe- se os ângulos de incidência e seu respectivo ângulo de reflexão. Figura 5: Exp. 01 - Posição da lente e do diafragma de uma fenda. Fonte: Azeheb – Laboratórios de Física. Adaptado pela autora. 2.2. EXPERIMENTO 02: ASSOCIAÇÃO DE ESPELHOS PLANOS 2.2.1. Materiais • 2 espelhos planos 60 x 80 mm; • 2 fixadores de espelho plano; • 1 suporte para disco giratório; • Disco giratório Ø23cm com escala angular e subdivisões de 1º. 15 Sobre o disco, coloca-se uma folha de papel e o espelho convexo, que deve receber o feixe luminoso paralelamente ao seu eixo principal. Desenha-se a figura resultada da reflexão e a convergência dos 5 feixes incidentes no espelho convexo. 2.5. EXPERIMENTO 05: DETERMINAÇÃO DA DISTÂNCIA FOCAL DE UM ESPELHO CÔNCAVO 2.5.1. Materiais • Vela; • 2 cavaleiros metálicos; • Trena (2m); • Anteparo para projeção com fixador magnético; • Fósforos; • Espelho côncavo (Ø = 5cm e 20cm de distância focal, em moldura plástica com fixação magnética). 2.5.2. Métodos Montou-se um sistema semelhante ao da figura 8. Utilizou-se o espelho côncavo com distância focal de 20cm para projetar a imagem de uma vela acesa no anteparo. Posiciona-se o espelho a uma distância (D0) de 50cm da vela, ajustando a posição do anteparo, movimentando-o ao longo da trena, para que a imagem projetada fique nítida. Este experimento foi observado no vídeo auxiliar (EXP05-..., 2019). 16 Figura 8: Sistema montado para realização do experimento 05. Fonte: Azeheb – Laboratórios de Física. Verifica-se na trena e toma-se nota da distância da imagem ao espelho. Este procedimento deve ser repetido, ao menos, 5 vezes, garantindo maior precisão nas análises qualitativas do experimento. 17 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. EXPERIMENTO 01: ESPELHOS PLANOS Reuniu-se na tabela 01 os valores referentes ao ângulo de incidência (definidos) e ao ângulo de reflexão (medido na experimentação). Tabela 1: Exp. 01 - Relação entre os ângulos de incidência e reflexão. Fonte: Dados experimentais. De posse dos dados acima, bem como da prévia análise prática do experimento, verificou-se uma relação de equivalência entre as duas colunas da tabela, ou seja, o ângulo de incidência definido pelo experimentador corresponde ao ângulo de reflexão obtido na prática. Por meio disto e valendo-se do estudo acerca das leis da reflexão, constatou-se que: • O raio incidente, a normal à superfície refletora no ponto de incidência e o raio refletido pertencem a um mesmo plano; • O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão. 3.2. EXPERIMENTO 02: ASSOCIAÇÃO DE ESPELHOS PLANOS Com a coleta dos dados realizada na experimentação para associação de espelhos planos, verificou-se qualitativamente os resultados obtidos. De posse de 20 Analisando de forma isolada o objeto de estudo da óptica geométrica, a luz, pode-se concluir que no espelho côncavo os raios luminosos apresentam as seguintes propriedades: 1. Caso 01: Por meio do princípio da reversibilidade da luz, todo raio de luz incide passando pelo foco F principal do espelho reflete-se paralelamente ao eixo principal. (NASCIMENTO et al., 2019) Figura 11: Raio incidente paralelo ao eixo principal – Espelho côncavo. Fonte: NASCIMENTO et al., (2019). 2. Caso 02: Um raio de luz que incide passando pelo centro de curvatura reflete sobre si mesmo. (NASCIMENTO et al., 2019) Figura 12: Raio incidente pelo centro de curvatura – Espelho côncavo. Fonte: NASCIMENTO et al., (2019). 3. Caso 03: Um raio de luz que incide no vértice do espelho é refletido simetricamente em relação ao eixo principal. (NASCIMENTO et al., 2019) Figura 13: Raio incidente passando pelo vértice – Espelho côncavo. Fonte: NASCIMENTO et al., (2019). 21 3.4. EXPERIMENTO 04: ESPELHOS ESFÉRICOS – ESPELHOS CONVEXOS Ainda acerca do estudo qualitativo de espelhos esféricos, analisou-se também os elementos do espelho convexo. A figura 14 explicita o comportamento dos feixes de luz ao incidirem sobre a superfície externa um espelho convexo. Figura 14: Exp. 04 – Estudo do espelho convexo. Fonte: EXP04-..., 2019. Adaptado pela autora. Os elementos deste espelho coincidem com os do espelho côncavo, sendo eles: o centro de curvatura (C), o raio de curvatura (R), o foco principal (F), o vértice (V) e o eixo óptico, vide figura 15, elaborada em consonância com o experimento realizado. Figura 15: Exp. 04 - Elementos do espelho convexo. Fonte: Autoria própria. 22 Assim como no espelho côncavo, o foco principal corresponde ao ponto do eixo onde passam os raios ou seus prolongamentos, quando incidem no espelho paralelamente ao eixo principal; no entanto, em espelhos convexos, o foco é um ponto-imagem virtual, uma vez que é definido pelo cruzamento dos prolongamentos dos raios refletidos. Mais uma vez, os raios refletidos no espelho convexo possuem propriedades específicas. De acordo com Nascimento et al. (2019): 1. Por meio do princípio da reversibilidade da luz, todo raio de luz incide passando pelo foco F principal do espelho reflete-se paralelamente ao eixo principal. Figura 16: Raio incidente paralelo ao eixo principal – Espelho convexo. Fonte: NASCIMENTO et al., (2019). 2. Um raio de luz que incide passando pelo centro de curvatura reflete sobre si mesmo. Figura 17: Raio incidente pelo centro de curvatura – Espelho convexo. Fonte: NASCIMENTO et al., (2019). 3. Um raio de luz que incide no vértice do espelho é refletido simetricamente em relação ao eixo principal. 25 4. CONCLUSÃO Findados os experimentos propostos e analisando brevemente os resultados, pode-se considerar que foram realizados com êxito, atendendo aos principais objetivos e consolidando os conteúdos vistos durante a unidade. É fundamental mostrar que o conhecimento empírico sobre a física (e sobre qualquer ciência) na realidade advém de um método científico que não deve ser negligenciado. Outro ponto que deve ser destacado é o ambiente remoto para a realização de aulas práticas, que neste momento foi bem explorado e não impediu a realização/entendimento dos experimentos. Reconhecendo a física como uma ciência de caráter prático, esta é capaz de consolidar conhecimentos interdisciplinares por meio da obtenção e análise de dados, que devem corroborar para criação de leis e teorias aplicáveis. No entanto, compreender a física apenas quantitativamente a torna muito limitada, já que ambientes ideais (onde geralmente as leis são elucidadas) são utópicos, e os ambientes reais sofrem influência de fatores externos e incontroláveis. No caso do ensino remoto e da física experimental, para os experimentos realizados, a análise qualitativa possibilitou um entendimento muito mais abrangente, permitindo experimentar o estudo da óptica geométrica em situações cotidianas (olhar-se em um espelho, no reflexo de uma colher de metal, etc.); esta noção intuitiva permite ao discente estabelecer associações entre a prática e a teoria, de modo que a imersão na física enquanto ciência se torna mais didática e permite aprofundar conhecimentos acerca de definições, elementos e leis referentes a reflexão da luz. Neste momento, o estudo quantitativo, apesar de importante, não traria as mesmas contribuições e meios de entendimento, deixando o discente alheio à prática. 26 REFERÊNCIAS BALZUWEIT, K. et al. Física Experimental. 1ª. ed. Belo Horizonte: UFMG, 2008. 128 p. v. 1. EXP01: Óptica/Propriedades da reflexão da luz. Gravação de Wilson Curi. [S. l.: s. n.], 2019. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=bYfVpQB-3kw. Acesso em: 2 dez. 2021. EXP02- Óptica: Número de imagens entre 2 espelhos planos. Gravação de Wilson Curi. [S. l.: s. n.], 2019. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=3L3zRldOMZ0. Acesso em: 2 dez. 2021. EXP03- Óptica: Espelho côncavo. Gravação de Wilson Curi. [S. l.: s. n.], 2019. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=U59RRhEta-g. Acesso em: 2 dez. 2021. EXP04- Óptica - Espelho esférico convexo. Gravação de Wilson Curi. [S. l.: s. n.], 2019. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=cBIoGcHVJ1o. Acesso em: 2 dez. 2021. EXP05- Óptica - Espelho esférico côncavo. Gravação de Wilson Curi. [S. l.: s. n.], 2019. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=6Frl6RA7lYs. Acesso em: 2 dez. 2021. NASCIMENTO, P. L. et al. Laboratório de Óptica Eletricidade e Magnetismo: Física Experimental II. Campina Grande: [s. n.], 2019. 295 p. YOUNG, H. D.; FREEDMAN, R. A. Física IV: Ótica e Física Moderna. 14ª. ed. São Paulo: Pearson, 2016. cap. 33-34. 27 ANEXO • Experimento 02: Associação de espelhos planos - Determinação do número teórico de imagens para cada ângulo lido 𝑁𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 = ( 360° 𝛼 ) − 1 𝑁1 = ( 360° 𝛼 ) − 1 = ( 360° 30° ) − 1 = 11 𝑁2 = ( 360° 𝛼 ) − 1 = ( 360° 42° ) − 1 = 7 𝑁3 = ( 360° 𝛼 ) − 1 = ( 360° 60° ) − 1 = 5 𝑁4 = ( 360° 𝛼 ) − 1 = ( 360° 90° ) − 1 = 3 𝑁5 = ( 360° 𝛼 ) − 1 = ( 360° 120° ) − 1 = 2 • Experimento 05: Determinação da distância focal de um espelho côncavo - Determinação do f em cada uma das leituras realizadas 1 𝑓 = 1 𝐷0 + 1 𝐷1 → 𝑓 = 𝐷0 ∙ 𝐷1 𝐷0 + 𝐷1 𝑓1 = 𝐷0 ∙ 𝐷1 𝐷0 + 𝐷1 = 50 ∙ 32 50 + 32 = 800 41 = 19,51219512 = 19,5 𝑐𝑚