Roteiro P Simulação Polarização Atividade Óptica-2022 1

1 ROTEIRO P SIMULAÇÃO POLARIZAÇÃO ATIVIDADE ÓPTICA Prof Nildo Loiola Dias 1 OBJETIVOS Verificar a polarização da luz Estudar a rotação do plano de polarização da luz ao atravessar uma solução contendo uma substância oticamente ativa Determinar o poder rotatório específico de uma substância oticamente ativa 2 MATERIAL Para a realização do Procedimento 1 utilize a simulação httpswwwvascakczdataandroidphysicsatschooltemplatephpsoptpolarizacefiltrlpt Para os procedimentos 16 e 17 veja o filme httpswwwyoutubecomwatchvhRnnYuTi4 Para a realização dos Procedimentos 2 e 3 utilize a simulação POLARIZAÇÃO ATIVIDADE ÓPTICA httpswwwlaboratoriovirtualfisicaufcbrpolarizacao 3 FUNDAMENTOS As fontes comuns de luz visível de um modo geral emitem luz cujos planos de vibração se distribuem ao acaso em torno da direção de propagação Devido a esta orientação aleatória se torna difícil verificar a verdadeira natureza transversal da luz Existem materiais que transmitem apenas os componentes das ondas luminosas cujos vetores do campo elétrico vibram paralelamente a uma certa direção e absorvem aqueles cujos vetores do campo elétrico vibram perpendicularmente aos primeiros tais materiais são chamados de Polaróides A luz de uma fonte comum cujas direções do campo elétrico são distribuídas aleatoriamente chamada de não polarizada ao atravessar uma placa polarizadora emerge com apenas uma direção de vibração do campo elétrico portanto planopolarizada A Figura 1 mostra uma placa polarizadora no plano deste papel e o sentido de propagação da luz saindo do plano do papel em direção ao observador A seta E representa o plano de vibração do campo elétrico da onda luminosa incidente sobre a placa polarizadora O vetor E pode ser substituído por dois vetores componentes Ex de intensidade Esen e Ey de intensidade Ecos um paralelo à direção de polarização e o outro perpendicular à mesma Apenas o primeiro será transmitido pois a placa absorverá o outro vetor Figura 1 Uma onda polarizada fazendo um ângulo θ com a direção de polarização de uma lâmina polarizadora somente a componente Ey é transmitida Fonte próprio autor 2 Colocandose no trajeto luminoso uma segunda placa polarizadora chamada analisadora como mostra a Figura 2 verificamos que a luz transmitida por esta segunda placa varia de intensidade quando à giramos havendo duas posições defasadas entre si de 1800 para as quais a intensidade da luz transmitida quase se anula este fenômeno só pode ser explicado admitindo que a luz se polariza portanto a luz se propaga por meio de ondas transversais e as situações de transmissão mínima da luz correspondem à ortogonalidade entre as direções de polarização de P1 e P2 Figura 2 Duas lâminas polarizadoras cruzadas Não há transmissão da luz para o observador Fonte Microsoft Word Luz polarizadadoc unicampbr Acesso em 24 de fev de 2021 ATIVIDADE ÓTICA Algumas substâncias chamadas de substâncias oticamente ativas têm a capacidade de girar o plano de vibração da luz Estas substâncias como o açúcar e as substâncias dotadas de carbono assimétrico de um modo geral obedecem a duas leis chamadas Leis de Biot para as soluções Primeira lei A rotação produzida no plano de vibração de uma luz polarizada por uma solução de substância oticamente ativa é proporcional à espessura da solução atravessada pela luz Segunda lei A rotação produzida no plano de vibração de uma luz polarizada por uma solução de substância oticamente ativa é proporcional à concentração Combinando as duas leis podemos escrever Θ αtλcL 1 Onde Θ é o ângulo de rotação no plano de polarização da luz produzido pela solução oticamente ativa αtλ é a constante de proporcionalidade chamada de poder rotatório específico da substância oticamente ativa que depende da temperatura e do comprimento de onda da luz c é a concentração da solução e L é o comprimento da solução atravessada pela luz Em geral o poder rotatório específico α20D é fornecido na literatura para a temperatura de 20oC e para o comprimento de onda da linha D do espectro de emissão do sódio cujo comprimento de onda é 5893 nm amarela O poder rotatório específico é considerado positivo por convenção quando a rotação do plano de polarização da luz é para a direita no sentido horário do ponto de vista do observador que recebe a luz dizemos que o composto químico é Dextrógiro e o poder rotatório específico é considerado negativo quando a rotação do plano de polarização é para a esquerda antihorária dizemos que o composto químico é Levógiro Na Figura 3 está representada a rotação para uma substância Dextrógira 3 Figura 3 Representação da rotação do plano de polarização da luz por uma substância Dextrógira Fonte Isomeria espacial isomeria óptica em Química Descomplica Acesso em 01 de mar 2021 Podemos medir o valor da rotação provocada por uma solução da seguinte maneira Colocase a solução entre dois polarizadores inicialmente cruzados fazendo um ângulo de 900 Com isso a luz rotacionada pela substância oticamente ativa será transmitida parcialmente pelo analisador Girase o analisador segundo polarizador até haver novamente extinção e medese o valor da rotação deste OBS Só haverá extinção se usarmos luz monocromática Se usarmos luz branca haverá extinção para certos comprimentos de onda não havendo para os demais pois o ângulo de rotação é diferente para cada cor A polarização da luz tem como uma das aplicações a determinação da concentração de açúcar com o uso do polarímetro Figura 4 Figura 4 Fotografia de um polarímetro esquerda Esquema interno do funcionamento direita e no canto direito uma fotografia de um tubo usado para colocar as amostras O aparelho é formado por uma fonte de luz 1 um polarizador fixo 2 um tubo 3 para amostra 4 que rotaciona o plano de polarização da luz 5 um filtro analisador 6 que ao girar até a extinção da luz em observação determina a rotação do plano de polarização da luz pela amostra da solução Observe que na figura o plano de polarização da luz gira no sentido antihorário do ponto de vista do observador tratase de uma substância Levógira Figura adaptada de httpswww3bscientificcombrpolarimetro1008696u33400p64918706html Acesso em 07 de out de 2020 4 4 PROCEDIMENTOS Para a realização do procedimento 1 acesse a simulação httpswwwvascakczdataandroidphysicsatschooltemplatephpsoptpolarizacefiltrlpt A simulação acima é muito realista fornecendo resultados idênticos aos obtidos em experimentos reais PROCEDIMENTO 1 Observação da Polarização da Luz 11 Utilize o simulador indicado pelo link acima mas utilize a tela como mostra a Figura 5 Figura 5 Tela inicial da simulação sobre polarização Fonte adaptada de httpswwwvascakczdataandroidphysicsatschooltemplatephpsoptpolarizacefiltrlpt Acesso em 9 de nov de 2020 12 Os polarizadores da simulação podem ser translacionados ou rotacionados independentemente Ponha um sobre o outro com os cabos coincidentes 13 Gire lentamente o polarizador que fica por cima do primeiro o analisador até fazer um ângulo de 900 Observe a intensidade luminosa e anote suas observações na Tabela 1 14 Continue girando o analisador até voltar a posição inicial Observe a luminosidade e preencha a Tabela 81 15 Mantenha o analisador polarizador superior parado e gire o polarizador inferior como fez com o analisador Observe a intensidade luminosa e preencha a Tabela 82 Para girar o polarizador inferior é necessário rotacionar um pouco o analisador para ter acesso ao botão que permite a rotação do polarizador inferir Tabelas 1 e 2 Observa da intensidade de luz transmitida em função da posição relativa dos polarizadores Giro do Analisador Intensidade Luminosa Aumenta Diminui Giro do Polarizador Intensidade Luminosa Aumenta Diminui de 00 a 900 de 00 a 900 de 900 a 1800 de 900 a 1800 de 1800 a 2700 de 1800 a 2700 de 2700 a 3600 de 2700 a 3600 O filme httpswwwyoutubecomwatchvhRnnYuTi4 mostra a realização dos procedimentos 16 e 17 além de outros mais Assista ao filme de modo a responder à questão 01 do questionário Observe que no filme dois filtros polarizadores posicionados cruzados não deixam passar luz entretanto ao introduzir um terceiro filtro polarizador entre os polarizadores cruzados pode haver a passagem da luz dependendo da orientação do terceiro filtro colocado entre os polarizadores cruzados O filme também mostra a alteração da polarização da luz por materiais plásticos devido a fotoelasticidade isso permite a análise das tenções internas no material 16 Coloque os dois filtros de polarização cruzados fazendo um ângulo de 900 de modo a não permitir a passagem de luz 5 17 Introduza um terceiro filtro de polarização entre os dois filtros cruzados Experimente várias inclinações e responda o quesito 01 do questionário PROCEDIMENTO 2 Estudo da rotação do plano de polarização da luz em função da concentração para diferentes cores Para a realização dos Procedimentos 2 e 3 faça uso da simulação POLARIZAÇÃO ATIVIDADE ÓTICA httpswwwlaboratoriovirtualfisicaufcbrpolarizacao Na Figura 6 está representada a página da simulação POLARIZAÇÃO ATIVIDADE ÓTICA após escolher Frutose Filtro de cor vermelho Concentração da Solução 02 gcm3 e Comprimento do Reservatório 201 cm Figura 6 Tela da simulação POLARIZAÇÃO ATIVIDADE ÓTICA Fonte próprio autor A simulação permite o estudo da atividade ótica de uma substância há três opções Frutose Glicose e Sacarose em função da cor da luz da concentração da solução e do comprimento que a luz percorre na solução A cor da luz pode ser escolhida dentre quatro opções vermelha amarela verde e azul A concentração pode ser variada de 0 a 040 gcm3 O comprimento que a luz pode percorrer dentro da solução pode variar de 5 a 25 cm Uma vez escolhida uma configuração substância cor concentração e comprimento podemos utilizar o analisador para determinar o ângulo de rotação sofrido pelo plano de polarização da luz ao atravessar a solução para isso devemos rotacional o analisador clicando no ponto em sua borda e arrastando o e localizar a posição angular para a qual a intensidade da luz é mínima OBS 1 Consideramos que o polarizador situado à esquerda está orientado de modo a permitir a transmissão da luz somente com polarização horizontal Isso pode ser verificado pois na ausência de uma solução com atividade óptica o analisador orientado verticalmente bloqueia a luz totalmente OBS 2 Sempre haverá dois ângulos para os quais a intensidade é mínima θ e 180o θ considere o menor dos ângulos se a concentração da solução é baixa eou o comprimento percorrido dentro da solução não é longo OBS 3 À medida que a concentração eou o comprimento que a luz percorre dentro da solução aumentam o ângulo de rotação aumenta podendo em princípio passar de 90o Nestes casos a escolha do menor dos ângulos não se aplica 21 Escolha a substância Glicose 22 Utilize o filtro vermelho 23 Fixe o comprimento de percurso da luz dentro da solução em 20 cm 24 Escolha uma das concentrações da solução indicadas na Tabela 3 6 25 Gire o analisador segundo polarizador de modo a determinar o ângulo de rotação do plano de polarização que extingue a luz transmitida este ângulo corresponde à rotação no plano de polarização da luz provocada pela atividade óptica da solução Anote 26 Repita os procedimentos para os outros filtros de cor e para as outras concentrações indicadas na Tabela 3 Tabela 3 Ângulo de Rotação do Plano de Polarização da Luz em graus para a GLICOSE COR CONCENTRAÇÃO 010 gcm3 020 gcm3 030 gcm3 040 gcm3 Vermelho Amarelo Verde Azul 27 Repita os procedimentos anteriores para a FRUTOSE e anote os resultados na Tabela 4 Tabela 4 Ângulo de Rotação do Plano de Polarização da Luz em graus para a FRUTOSE COR CONCENTRAÇÃO 010 gcm3 020 gcm3 030 gcm3 040 gcm3 Vermelho Verde PROCEDIMENTO 3 Estudo da rotação do plano de polarização da luz em função do comprimento percorrido pela luz dentro da solução para diferentes cores 31 Utilize uma solução de SACAROSE com uma concentração fixa de 030 gcm3 32 Faça medidas dos ângulos de rotação do plano de polarização da luz de modo a preencher a Tabela 5 Tabela 5 Ângulo de Rotação do Plano de Polarização da Luz em graus para a GLICOSE em função do comprimento que a luz percorre dentro da solução COR COMPRIMENTO QUE A LUZ ATRAVESSADA DENTRO DA SOLUÇÃO 50 cm 100 cm 150 cm 200 cm Amarelo Verde Azul 5 QUESTIONÁRIO 1 Explique a transmissão luminosa através de dois polarizadores cruzados ao se introduzir um terceiro polaroide entre eles 2 Classifique as substâncias Frutose Sacarose e Glicose como Levógira ou Dextrógira Justifique 3 Faça o gráfico do ângulo de rotação do plano de polarização da luz em função da concentração da solução de GLICOSE para as quatro cores da Tabela 3 4 Determine pela inclinação do gráfico da questão anterior o poder rotatório específico da GLICOSE para a luz amarela 5 Faça o gráfico do ângulo de Rotação do Plano de Polarização da Luz em graus para a GLICOSE em função do comprimento que a luz percorre dentro da solução para as cores da Tabela 5 6 Determine o poder rotatório específico da Frutose para a luz amarela Explicite os valores utilizados nos cálculos