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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
DEPARTAMENTO DE FÍSICA
LABORATÓRIO DE FÍSICA MODERNA
PRÁTICA 1: INTERFERÔMETRO DE MICHELSON
Prof. Nildo Loiola Dias 1.1 OBJETIVOS
- Conhecer e manipular o interferômetro de Michelson. - Determinar o comprimento de onda da luz. - Medir o índice de refração do ar. 1.2 MATERIAL - Interferômetro de Michelson; - Base para laser; - Laser He-Ne; - Lente com suporte (f = 20 cm); - Célula de vidro; - Bomba de vácuo manual; - Anteparo. 1.2 FUNDAMENTOS O interferômetro projetado por A. A. Michelson em 1881, Figura 1, tinha como objetivo medir a velocidade da Terra em relação ao “Éter”, uma substância hipotética a qual se imaginava ter a propriedade de transmitir radiação eletromagnética, incluindo a luz, e a qual se pensava permear todo o espaço. O resultado do experimento foi inteiramente inesperado: a velocidade da Terra através do “Éter” era zero em qualquer época do ano. Nesta prática não tentaremos reproduzir os resultados negativos obtidos por Michelson e Morley, mas, fazendo uso da grande sensibilidade do interferômetro, determinaremos o comprimento de onda da luz emitida por um LASER e também determinaremos o índice de refração do ar. Figura 1 – O interferômetro utilizado por Michelson e Morley. Fonte:
O interferômetro que usaremos está ilustrado na Figura 2 e representado esquematicamente na Figura 3; a luz proveniente do LASER é separada em dois feixes pelo espelho semitransparente e alinhados de uma forma equivalente à ilustrada na Figura 4. Nesta figura duas fontes de luz (virtuais), P’ e P”, de mesmo comprimento de onda e em fase, estão separadas por uma distância x. Figura 2 – Interferômetro fabricado pela PHYWE que será utilizado nesta prática. Fonte: Figura 3 – Representação do interferômetro de Michelson mostrando a trajetória da luz. Fonte: o próprio autor. Figura 4 - Geometria da interferência. Fonte: o próprio autor.
4 PROCEDIMENTOS
PROCEDIMENTO 1: Determinação do comprimento de onda da luz do LASER.
Para a realização desta prática utilizaremos o arranjo experimental mostrado na Figura
5. Nesta figura podemos ver, à esquerda o LASER de He-Ne, no centro a lente convergente, à
direita o interferômetro, na parte superior o anteparo, na parte inferior a bombe de vácuo
ligada a uma mangueira e na ponta da mangueira a célula de vidro.
Figura 5 – Arranjo experimental.
Fonte: o próprio autor. 1.1 Ajuste do interferômetro: Para obter o maior número possível de franjas de interferência o interferômetro deve ser ajustado. Para fazer isso, a lente não deve ser usada inicialmente. A luz do LASER deve incidir sobre o espelho semitransparente, onde se divide. Os dois feixes resultantes são projetados no anteparo formando dois pontos luminosos. Por meio de dois parafusos de ajuste, fixados em um dos espelhos, faça com que os pontos de luz coincidam. Coloque então a lente no feixe de luz, entre o LASER e o interferômetro, e ajuste de modo a obter no anteparo uma formação de círculos concêntricos como mostra a Figura 6 (na prática não é possível, em geral, observar uma figura com tantos anéis como mostrado na Figura 6). Figura 6 – Padrão de interferência a ser observado. Fonte:
1.2 Medida do comprimento de onda da luz: Para medir o comprimento de onda, o parafuso micrométrico deve ser girado para uma posição inicial qualquer. Anote esta posição inicial, xo, na Tabela 1. Girando sempre no mesmo sentido, para evitar erro devido a folga do parafuso, conte o número de repetições de interferências construtivas (ou destrutivas) observadas no centro da figura de interferência. Conte pelo menos 100 repetições e anote a posição final, xf. A distância L (deslocamento do espelho) é igual a x dividido por 10, devido à razão da alavanca (10:1). Lembre-se também que há um deslocamento L do espelho, corresponde a um deslocamento 2L da imagem da fonte de luz produzida por este espelho, então: (para a variação de “x” na Eq. 1.1) (6) 1.3 Repita este procedimento pelo menos mais duas vezes e determine o comprimento de onda da luz. Tabela 1 - Resultados experimentais. Xo (mm) Xf (mm)
X
(mm) (^) (mm)
2L
(mm) m (nm) Medida 1 Medida 2 Medida 3 Onde m é o número inteiro de comprimentos de onda contados.
PROCEDIMENTO 2: Determinação do índice de refração do ar.
2.1 Coloque a célula de vidro no local apropriado do interferômetro. 2.2 Com a bomba de vácuo manual retire o ar lentamente da célula de vidro enquanto conta as repetições de interferência construtiva (ou destrutiva) que se sucedem. A leitura fornecida pelo manômetro da bomba de vácuo tem um valor negativo, pois representa a queda de pressão ∆p em relação à pressão atmosférica inicial (1013 mbar). Anote na Tabela 1.2 as variações de pressão, p, para cada variação de um comprimento de onda no caminho ótico. Repita o experimento pelo menos três vezes. Tabela 2 - Variação do padrão de interferência com a pressão. N (número de comprimentos de onda)
p (mbar) p (mbar) p (mbar) p médio (mbar) Pressão (po+ pm) (mbar) OBS: Anote a queda de pressão ∆p (leitura do manômetro da bomba de vácuo) com o sinal negativo indicativo de que a pressão está caindo.
