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) ABDR Blank ISBN 9789999999977 parte 2 de 2 Introdução ao estudo da óptica geométrica. 1062.003A 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 sistema de coordenadas conhecido como "sistema cartesiano de coordenadas" e é considerado como o "pai da filosofia moderna". Gauss, Johann Carl Friedrich (1777 - 1855). Johann Carl Friedrich Gauss foi um matemático, astrônomo e físico alemão, considerado 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 trajetória de outro raio de luz, cada um se comportando como se o outro não existisse". 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 conceitos 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 colocará 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 geométrica"; "o segundo princípio da óptica geométrica"; "o terceiro princípio da óptica geométrica". 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. 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 antecedência 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 homogêneo 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 ótica geométrica 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 aplicamos os princípios da óptica geométrica. A reflexão em espelhos esféricos. 1. Habilidades e competências. Ao término desta atividade o aluno deverá ter competência para: • determinar, a partir de um espelho esférico, as cotas de posicionamento dos seguintes elementos: • Centro de curvatura (c); • Vértice do espelho (v); • Eixo principal (EP); • Eixo secundário (ES); • Abertura do espelho (q). • Descrever e identificar os três raios principais nos espelhos esféricos. 2. Material necessário. • 01 painel básico para banco óptico; • 01 lanterna laser • 01 perfil de espelho côncavo e convexo (ou perfil flexível para espelho); • ★ 01 compasso; • ★ 01 régua milimetrada. Os itens assinalados por ★ não acompanham o conjunto. 3. Montagem. 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 feixe do laser. Caso necessário veja as instruções 1992.021B. O espelho esférico côncavo. 4.1. Fixe o espelho côncavo ao disco óptico, conforme a Figura 1, de tal modo que: Figura 1 4.2. Suba a lanterna de modo que o raio incidente fique paralelo e 2 cm acima do eixo principal conforme a Figura 2. Figura 2 Complete na Figura 2 a trajetória seguida pelo raio refletido cujo raio incidente é paralelo ao eixo principal. 4.3. Ajuste a lanterna de modo que o raio incidente fique paralelo e aproximadamente 2 cm abaixo do eixo principal. Complete, na Figura 3, a trajetória seguida pelo raio refletido, cujo raio incidente é paralelo ao eixo principal. Figura 3 4.4. Assinale com a letra V o ponto de incidência central (doravante denominado de vértice do espelho esférico côncavo). 4.5. Assinale com a letra “F” o foco do espelho esférico côncavo, ponto de maior ocorrência dos raios refletidos. 4.6. Determine e anote a distância denominada de distância focal do espelho (f), existente entre o vértice e o foco do espelho. 4.7. Transfira os dados obtidos para uma folha em branco (conforme a Figura 4): Figura 4 trace a curvatura interna do espelho. assinale, nos extremos da curva, dois pontos auxiliares A e B. Com uma abertura do compasso igual a AB; ponta seca em A e depois em B, determine dois pontos quaisquer x e x’, simetricamente equidistantes de A e B. Trace uma reta r que passe por x e x’. Esta reta equivale à diagonal assinalada do disco óptico. Grafique e assinale sobre a reta r: O foco real do espelho esférico côncavo. represente o foco pela letra F. O vértice do espelho esférico côncavo. represente o vértice pela letra V. O centro de curvatura do espelho esférico côncavo. 4.8. Com a ponta seca do compasso no foco F e a outra em V, trace sobre a reta r um ponto C, distante 2f do vértice V. Compare a localização do ponto C com a do ponto central da superfície côncava espelhada. Este ponto C é denominado centro de curvatura do espelho esférico. 4.9. Trace respectivamente os segmentos AC e BC. Os raios secundários e a abertura do espelho esférico côncavo. Todos os raios que estiverem contidos na região interna, determinada por AC e BC, são denominados raios secundários e o ângulo ACB, representado por (θ), é denominado de abertura do espelho esférico. A abertura real do espelho côncavo ocupa a região determinada pela revolução de AC em torno do eixo principal, também conhecida por “ângulo sólido” de abertura. 4.10. Observe que a reta “r” passe pelo centro de curvatura do espelho e pelo seu vértice. O eixo contido nesta reta, contendo C e V, é denominado eixo principal do espelho esférico. Movimente a lanterna de modo que o raio incidente i, fique contido no eixo principal. O que acontece ao raio refletido cujo raio incidente está contido no eixo principal? 4.11. Movimente a lanterna de modo que o raio incidente i, passe pelo foco e incida sobre o espelho côncavo. Descreva o que acontece ao raio refletido cujo raio incidente i, passa pelo foco e incide sobre o espelho. Considere o comportamento do raio refletido em função do eixo principal. 4.12. Movimente a lanterna de modo que o raio incidente i, fique paralelo ao eixo principal. Observe e descreva o que acontece ao raio refletido cujo raio incidente i, é paralelo ao eixo principal do espelho. Considere o comportamento do raio refletido em função do eixo principal (diâmetro que contém a escala milimetrada). Os três raios principais no espelho esférico côncavo. 4.13. Os últimos itens trataram do comportamento de três raios, denominados “raios principais raios de luz nos espelhos esféricos côncavos”, complete as lacunas de modo a conceituar cada um deles: O primeiro raio principal no espelho esférico côncavo. Todo raio incidente contido no eixo principal que incida sobre o espelho côncavo, tem seu raio refletido. O segundo raio principal no espelho esférico côncavo. Todo raio incidente que passe pelo foco e incida sobre o espelho côncavo, tem seu raio refletido O terceiro raio principal no espelho esférico côncavo. Todo raio incidente paralelo ao eixo principal que incida sobre o espelho côncavo, tem seu raio refletido. O espelho esférico convexo. 4.14. Movimente a lanterna para o outro lado do painel permitindo que a parte convexa do espelho seja agora considerada. A reflexão do raio incidente central deve retornar sobre si próprio e o ponto de incidência dividir em duas partes iguais o perfil do espelho. O vértice do espelho esférico convexo. 4.15. Assinale na Figura 5, com a letra (v), o ponto de incidência central denominado vértice do espelho convexo. Figura 5 O foco virtual do espelho esférico convexo. 4.16. Subindo ou descendo a lanterna, sempre mantendo o raio incidente paralelo a posição anterior, assinale com a letra (F) o foco do espelho convexo, ponto de maior ocorrência dos prolongamentos dos raios refletidos. PASTA DO PROFESSOR Observe que a única maneira de vincular os raios reflé- 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 princi- pal. 4.19. Descreva o comportamento dos três raios prin- cipais no espelho esférico convexo. Autor: Luiz Antônio Macedo Ramos Roteiros Para Experimentos de Física Luiz Antônio Macedo Ramos 75