Física Experimental 2 Roteiros para Experimentos de Física

Estácio Disciplina: FÍSICA EXPERIMENTAL II Roteiros para Experimentos de Física 1a. Edição/2002 Luiz Antônio Macedo Ramos Capítulo - Física Experimental 2 (Parte 2) Cidepe Centro Industrial de Equipamentos de Ensino e Pesquisa www.cidepe.com.br ABDR Blank ISBN 9789999999977 abdr parte 2 de 2 1062.003A Introdução ao estudo da óptica geométrica. A óptica. Óptica é a parte da Física que estuda a luz e os fenômenos luminosos. A óptica geométrica. A óptica geométrica descreve os fenômenos ópticos através da geometria. A óptica geométrica teve a contribuição de dois grandes cientistas. Descartes, René (1596 - 1650). René Descartes foi um filósofo, cientista e matemático francês, introduziu o siste- ma de coordenadas conhecido como “sis- tema cartesiano de coordenadas” e é considerado como o “pai da filosofia mo- derna”. Gauss, Johann Carl Friedrich (1777 - 1855). Johann Carl Friedrich Gauss foi um ma- temático, astrônomo e físico alemão, con- siderado o criador da geometria diferencial. Os princípios da óptica geométrica. O primeiro princípio da óptica geométrica. “Nos meios homogêneos e isotrópicos a luz se propaga em linha reta em todas as direções e sentidos”. O segundo princípio da óptica geométrica. “...um raio de luz não interfere na tra- jetória de outro raio de luz, cada um se comportando como se o outro não existis- se”. O terceiro princípio da óptica geométrica. “... a trajetória percorrida por um raio de luz é a mesma que ele percorreria caso seu sentido de propagação fosse invertido”. Achamos oportuno salientar que alguns co- ceitos da óptica geométrica não sobrevivem ao impacto com a óptica física, num confronto com os fenômenos da difração, interferência e polarização, contudo, o tratamento que será dado aos fenômenos que serão observados não colocarão em dúvidas as verdades físicas. 1. Habilidades e competências. Ao término desta atividade o aluno deverá ter competência para: conceituar um meio homogêneo e isotrópico; conceituar e reconhecer as seguintes fontes de luz: fontes primária e secundária; fontes extensa e pontual; fontes incandescente, fluorescente e fosforescente; conceituar corpos transparente, translúcido e opaco; enunciar: o “primeiro princípio da óptica geomé- trica”; o “segundo princípio da óptica geomé- trica”; o “terceiro princípio da óptica geomé- trica”. 2. Material necessário. 01 painel básico para banco óptico; 01 lanterna laser; 02 espelhos planos com adesão magnética. 3. Montagem. 3.1. Execute a montagem conforme as instruções 1992021B. 67 Atenção! Nunca aponte o laser para os olhos de um ser vivo. Bloqueie os feixes do laser com materiais absorventes de modo que o feixe não ultrapasse a área do seu experimento (utilize papéis ou panos escuros). Cubra ou remova qualquer espelho ou objeto refletor, que possa fazer refletir nos olhos de alguém o feixe do laser. Pré-requisito - Questionário inicial. Consulte seus apontamentos e responda com antece- dência as seguintes questões: 4.1. O que é um meio homogêneo? 4.2. O que é um meio isotrópico? 4.3. Conceitue as seguintes fontes de luz: fonte primária de luz (corpo luminoso); fonte secundária de luz (corpo iluminado); fonte extensa de luz; fonte pontual de luz; fonte incandescente de luz; 4.4. Conceitue os seguintes corpos: corpo transparente à luz; corpo translúcido à luz; corpo opaco à luz; 4.5. O que é um espelho (superfície espelhada)? 5. Andamento das atividades. 5.1. Ligue a fonte laser. Observando a trajetória do feixe de luz sobre o painel, como se propaga a luz num meio ho- mogêneo e isotrópico? 5.2. Fixe os espelhos planos no painel (Figura 1), de modo que o raio incidente i₁, incidindo nos espelhos, retorne e cruze com ele mesmo. Figura Observando o raio i₁ na região A, bloqueie (com o dedo) o raio refletido entre os espelhos (1 e 2) e torne a deixá-lo passar. O raio refletido I₁ interferiu no raio incidente i₁? Quais os princípios da óptica geo- métrica que são evidenciados neste experimento? 5.3. Enuncie: O primeiro princípio da óptica geométrica. O segundo princípio da óptica geométrica. O terceiro princípio da óptica geométrica. 5.4. Cite três exemplos do cotidiano em que aplica- mos os princípios da óptica geométrica. 68 A reflexão da luz num espelho plano. 1062.003C 1. Habilidades e competências. • Ao término desta atividade o aluno deverá ter competência para: • reconhecer que o raio refletido está contido no plano formado pelo raio incidente e pela reta normal à superfície polida do espelho, no ponto de incidência; • identificar e mencionar as leis da reflexão. 2. Material necessário. • 01 painel básico para banco óptico; • 01 lanterna laser; • 01 espelho plano com adesão magnética. 3. Montagem. Cuidado com o laser! • Nunca aponte o laser para os olhos de um ser vivo; • Bloqueie os feixes do laser com materiais absorventes de modo que o feixe não ultrapasse a área do experimento (utilize papéis ou panos escuros). • Cubra ou remova qualquer espelho ou objeto refletor, que possa refletir nos olhos de alguém o feixo de laser. 3.1. Execute a montagem do conjunto (caso necessário veja as instruções 1992.021B_2). • Coloque o espelho plano sobre o disco óptico - Figura 1. É importante que o ponto de incidência “P” esteja sobre o centro do disco, caso necessário, movimente a lanterna até satisfazer esta condição. • Ao ligar a fonte de luz, o raio incidente deverá atingir o espelho no ponto de incidência “P” e retornar sobre si próprio. 4. Andamento das atividades. 4.1. Ligue a lanterna e a posicione de modo que o raio incidente “i” forme um ângulo de 10º com a reta normal (N) ao espelho no ponto de incidência (P). Caso o seu modelo de banco óptico possua o disco girante, em vez de girar a lanterna você poderá simplesmente girar o disco de Hartl. O ângulo de incidência. O ângulo entre o raio incidente e a reta normal N, no ponto de incidência é denominado de ângulo de incidência (i). O raio refletido. Complete, na Figura 2, a trajetória do raio depois de encontrar o espelho plano, denominado de raio refletido. • O ângulo de reflexão. Identifique na Figura 2 o ângulo de reflexão (r), ângulo que o raio refletido forma com a reta normal (N), no ponto de incidência. • Determine o valor do ângulo de reflexão. 4.2. Complete a Tabela 1 para os ângulos de incidência (i) indicados. Tabela 1 | Ângulo de Incidência (i) | Ângulo de Reflexão (r) | |-------------------------|------------------------| | 0 | | | 10 | | | 20 | | | 30 | | | 40 | | 4.3. Confrontando os valores da Tabela 1, relacione o ângulo de incidência com o ângulo de reflexão. As leis da reflexão. 4.4. Verifique a validade das seguintes afirmações: "O raio incidente, a reta normal (no ponto de incidência) e o raio refletido estão contidos num mesmo plano." "O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão." Saiba que estas afirmações são conhecidas como leis da reflexão (primeira lei da reflexão e segunda lei da reflexão). 4.5. Descreva o que acontece com o raio refletido quando o raio incidente é normal à superfície refletora. Neste caso, qual o ângulo formado entre o raio incidente e o raio refletido? 4.6. Gire a lanterna no sentido horário, aumentando o ângulo de incidência em mais 10º (ângulo de giro do raio incidente) no sentido horário. Neste caso, qual o ângulo formado entre o raio incidente e o raio refletido? 4.7. Procedendo como no item anterior, complete a segunda coluna da Tabela 2, para os ângulos de giro do raio incidente. Tabela 2 | Ângulo de giro do espelho | Ângulo entre os raios incidente e refletido (10º+i) | |---------------------------|----------------------------------------------------| | 0 | | | 10 | | | 20 | | | 30 | | | 40 | | O ângulo de giro do espelho (ângulo de giro do raio refletido). 4.8. Confrontando os valores da Tabela 2, relacione o ângulo de giro do raio incidente (ângulo de giro do espelho) com o ângulo entre o raio incidente e o raio refletido (ângulo de giro do raio refletido). Certos aparelhos de grande sensibilização, como o quinógrafo a laser, balança de torção, etc, se utilizam deste fenômeno físico para a ampliação da sua escala de leitura. As reflexões múltiplas da luz entre espelhos planos. 1062.003F 1. Habilidades e competências. • Ao término desta atividade o aluno deverá ter competência para: • aplicar sucessivamente as leis da reflexão em sistemas com dois espelhos em ângulo; • reconhecer a aplicação das leis da reflexão em sistemas para alinhamento a 90º; • reconhecer a aplicação das leis da reflexão em sistemas conhecidos por "olho de gato". 2. Material necessário. • 01 painel básico para banco óptico; • 01 lanterna laser; • 02 espelhos planos de adesão magnética. 3. Montagem. Caso necessário veja as instruções 1992.021B_2. Atenção! • Nunca aponte o laser para os seus olhos ou para os olhos de alguém. • Bloqueie os feixes do laser com materiais absorventes de modo que o feixe não ultrapasse a área do seu experimento. (Utilize papéis ou panos escuros). • Cubra ou remova qualquer espelho ou objeto refletor, que possa fazer refletir nos olhos de alguém o feixo de laser. • Ajuste a altura da lanterna de modo que o feixe de luz passe, aproximadamente, 1 cm acima do centro do disco óptico. 4. Andamento das atividades. 4.1. Fixe os dois espelhos planos de modo a ficar uma abertura de 45º entre eles (marca serrilhada no painel) - Figura 1. Caso o raio refletido fique “curto” sobre o disco central, incline levemente a fonte luminosa. • Trace, na Figura 1, o caminho do raio refletido, verificando, para cada reflexão, a validade das leis da reflexão. • Justifique a validade, ou não, de duas superfícies espelhadas (espelhos planos com abertura de 45º) serem utilizadas em sistemas para alinhamentos perpendiculares. 4.2. Fixe os espelhos com uma abertura de 90º sobre o centro do disco, conforme a Figura 2. • Trace o caminho do raio refletido segundo as leis da reflexão. Justifique a validade, ou não, da utilização de superfícies refletoras (espelhos planos com abertura de 90º) em sistemas para sinalização, tipo "olho de gato". Paste do professor Observe que a única maneira de vincular os raios refle- tidos ao foco é trabalhar com os prolongamentos destes raios, razão pela qual este foco é denominado de foco virtual. 4. A distância focal do espelho esférico convexo. 4.17. Verifique e anote a distância focal deste espe- lho. * Justifique a presença do sinal menos (-) e o seu significado físico. * Os três raios principais no espelho esférico convexo. 4.18. Gire a lanterna de modo que o prolongamento do raio incidente i passe pelo foco. * Observe, grafique e descreva o que acontece ao raio refletido cujo prolongamento do raio incidente i passa pelo foco. Considere o comportamento em função do eixo prin- cipal. 4.19. Descreva o comportamento dos três raios prin- cipais no espelho esférico convexo. Roteiros Para Experimentos de Física Luiz Antônio Macedo Ramos Autor: Luiz Antônio Macedo Ramos 75