Guia Professor Experimento Difracao

7/23/2019 Guia Professor Experimento Difracao

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Difrao: Instrumento de medida - Verso 1.0IBTF - Projeto Acessa Fsica - Atualizado em 07 de janeiro de 2009

Projeto Financiado pelo MEC - Ministrio da Educao e Cultura e pelo MCT - Ministrio da Cincia e Tecnologia

- Esta obra est licenciada sob uma Licena Creative Commons- 2009 MEC e MCT

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Home - Experimento

Difrao: Medidas das distnciasentre as ranhuras de um CD/DVD eda espessura de um fio de cabelo

Questes Prvias

Voc sabe qual a diferena entre um CD e umDVD?

Voc tem idia de qual a dimenso do dimetro(espessura) de um fio de cabelo?


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Dados Gerais

Atividade:Ondas: Difrao.

Srie escolar:3 Srie do Ensino Mdio.

Tema da atividade:ptica.

Assunto:Ser utilizado o conceito de difrao da luz, que um fenmenocaracterstico de todas as ondas, em particular das ondas eletromagnticas,para medir a espessura de um fio de cabelo e em seguida, o espaamento entre

os sulcos ou trilhas de um CD e um DVD.Tempo Previsto:Duas aulas de 50 minutos.

Palavras-Chaves:Difrao, espessura do fio de cabelo, ondaseletromagnticas, laser, trilhas de um CD e DVD.

Conceitos envolvidos:Difrao, ondas eletromagnticas, luz monocromtica.

Pr-requisitos:

Comportamento da luz como onda eletromagntica; Conceito de difrao; Equao da difrao; Caractersticas de uma luz monocromtica Laser.

Objetivos

Introduzir o aluno ao estudo de tica fsica. Observar o comportamento da luz como onda eletromagntica. Observar o fenmeno da difrao da luz quando esta incide sobre um

CD/DVD e sobre um fio de cabelo. Utilizao do conceito de difrao da luz para realizar micro medidas,

tais como: espessura de um fio de cabelo, distncia (espaamento)entre os sulcos de um CD e DVD.


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Introduo

Quando se comea a falar de ondas eletromagnticas, logo sentimos um ar demistrio. Isso porque, geralmente, entendemos melhor aquilo que podemossentir diretamente, a partir das nossas experincias do dia-a-dia.

Na mecnica tudo mais palpvel, pois lidamos com o mundo concreto. Comrelao luz, que so ondas eletromagnticas, sentimos sua concretude apenasna medida em que sentimos os corpos - e tambm nossos prprios corpos! - seaquecerem quando banhados pela energia solar. uma experincia concreta,tambm, nossa viso dos corpos iluminados. Mas no podemos ver o ente fsico

gerador destas sensaes.Quando estamos no campo das sensaes, isto , das experincias queestimulam nossos sentidos, tudo parece "fazer sentido". Mas nem tudo o queacontece ao nosso redor totalmente evidente e claro para nossos sentidossensoriais. E isto bom! A partir dessas incompreenses que so geradas asperguntas, a motivao para o conhecimento. O importante a descoberta.

A inteno deste experimento despertar no aluno a percepo de quefenmenos fsicos podem ser entendidos sem mistrios.

O fenmeno fsico da difrao faz parte do cotidiano do aluno quando tratamosdas ondas sonoras. Mas a percepo das ondas eletromagnticas, inclusive nasfrequncias de luz visvel, ainda algo inusitado para a maioria. Com esteexperimento, o aluno perceber que esse tema - geralmente ensinado "goelaabaixo" - pode ser mais facilmente assimilvel quando contextualizado erelacionado s nossas prprias sensaes.


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Condies de Segurana

Lista de Materiais

Fonte laser de comprimento de onda conhecido

CD 1 DVD Transferidor Fio de cabelo Uma folha de papel em branco e outra milimetrada, se possvel Suporte para o CD Suporte para a fonte laser Fita adesiva

Observao:Recomenda-se usar como fonte laser um apontador laser (laserpointer), vermelho, cujo comprimento de onda aproximadamente 650nm (650x 10-9m).

Cuidado com o laser!

No olhe diretamente no feixe. No direcioneo em qualquer outro lugarque no seja o anteparo, pois poder incidir no olho de um colega.

Siga cuidadosamente essas instrues de segurana, pois caso o laserincida sobre os olhos, a viso poder ficar prejudicada.


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Etapas do procedimento

Etapa 1: Medida da distncia entre as ranhuras de umCD/DVD

Coloque o laser apoiado em um suporte.

Utilizando a prpria caixa do CD, coleo com fita adesiva na tampa, de modoque o lado gravvel fique exposto luz do laser. Em seguida, incline-o 45o,como mostra a figura 1.

Observao: colocar os valores medidos e calculados nos itens abaixo, natabela 1.

Faa as medidas da distncia entre os pontos da luz difratada no anteparo,x, e da distncia entre o anteparo e o ponto de incidncia do laser no CD,

L. Considerando o comprimento de onda do laser, , como sendo


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aproximadamente 650 nanmetros = 650 x 10-9m, calcule a distncia emmilmetros, entre as ranhuras do CD, d, atravs da equao da difrao (2):

Calcule a quantidade de ranhuras por milmetro (n) do CD.

Repita o procedimento anterior, utilizando um DVD.

1 cm = 10-2m

1 mm = 10-3m

1 m = 10-6m

1 nm = 10-9m

Tabela 1: Medida da distncia entre as ranhuras de um CD/DVDL(m) x (nm) d() dcdddvd n (Quantidade de ranhuras mm)

CD

DVD

Etapa 2: Medida da espessura de um fio de cabelo

Coloque o fio de cabelo na regio frontal do laser, centralizandoo. Em

seguida, coleo com fita adesiva lateralmente, como mostra a figura 2.

Coloque uma folha de papel em uma parede ou anteparo, distante 2 a 3 m


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do laser.

Monte o sistema laser fio de cabelo e anteparo, como mostra a figura 3,para projetar a luz difratada pelo fio de cabelo no anteparo.

Escurea o ambiente para melhor visualizar os pontos da projeo da luzdifratada.

Observao: colocar na tabela 2 os valores medidos e calculados nos itensabaixo:

Mea as distncias do laser ao anteparo, L, e entre os pontos da projeo daluz difratada, x, como mostra a figura 3.

Determine o valor da espessura do cabelo, d, em milmetro, utilizando a

equao da difrao.

Repita o procedimento, utilizando um fio de cabelo do colega.


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Tabela 2: Medida da espessura de um fio de cabelo

L(m) x (nm) d()

Fio 1

Fio 2

Orientaes

Sugestes para o procedimento:

Etapa 1: Medida da distncia entre as ranhuras de um CD e de um DVD

Inicialmente, para demonstrar a diferena entre um CD (compact disc) e umDVD (digital versatile disc), incida um feixe de luz de uma lanterna comum,verticalmente sobre um CD e depois sobre umDVD. Pergunte aos alunos se possvel ver as diferenas entre os raios refletidos do CD e os do DVD (figura4). Eles devero observar que o DVD espalha as cores da luz branca sobngulos maiores que o CD e que as cores visualizadas no DVD so diferentesdas do CD.


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Para obter a luz difratada do laser, aps incidila no CD/DVD, monte o sistemalaser CD anteparo (folha de papel) como mostra a figura 5.

Os valores aceitveis para as distncias entre as ranhuras so:

Um dos erros nessas medidas ocorre quando o CD/DVD no est exatamente a45o.

Para determinar o nmero de ranhuras, n, por milmetro, mm:


Para medir a espessura de um fio de cabelo, podese coloclo diretamentesobre a fonte laser como mostra a figura 2, ou colar o fio em um slide,colocandoo no caminho da luz do laser. Procure fazer o experimento com afonte laser a uma distncia de 2 a 3m, para obter melhor visualizao da luz

difratada projetada no anteparo.


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Questes relativas ao resultado

Questo para reflexo e discusso

Etapa 1: Medida da distncia entre as ranhuras de um CD/DVD

1.1 - A distncia entre as ranhuras maior no CD ou no DVD?Quantas vezes maior ou menor?

1.2 Qual a relao entre as quantidades de ranhuras por mm noCD e no DVD?

1.3 E agora, consegue responder a questo prvia?


2.1 -Qual o valor encontrado para a espessura do seu cabelo? E ado colega?

2.2 -E agora, voc consegue responder a questo prvia?

1 -Por que se consegue armazenar mais informaes no CD e noDVD do que no antigo disco LP (long play)?


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Questes Desafio

Respostas

1 -O fenmeno da difrao utilizado para medidas na escala microcomo vimos no nosso experimento que tratou da distncia entre asranhuras de um CD DVD e da espessura de um fio de cabelo. Doutros exemplos, em que poderiam ser realizadas medidas,utilizando o fenmeno da difrao.

2 -O que necessrio para fazer a medida de usando o fenmenoda difrao?

Questes relativas ao resultado

Etapa 1: Medida da distncia entre as ranhuras de um CD/DVD

1.1 - A distncia entre as ranhuras maior no CD ou no DVD?Quantas vezes maior ou menor?

Resposta:A distncia entre as ranhuras de um CD maior do que no

DVD:dCD1,2 mdDVD0,5 mA distncia entre as ranhuras de um CD aproximadamente 2 vezesmaior do que a de um DVD.

1.2 Qual a relao entre as quantidades de ranhuras por mm noCD e no DVD?


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Resposta:

Portanto:

1.3 E agora, consegue responder a questo prvia?

Resposta: A diferena entre um CD e um DVD que as ranhuras,regies onde so armazenados os dados, esto mais prximas em umDVD do que em um CD, ou seja, podem ser armazenadas maisinformaes em um DVD do que em um CD (veja a resposta anterior),ainda que em um mesmo espao.


2.1 -

Qual o valor encontrado para a espessura do seu cabelo? Ea do colega?

Resposta: Os valores podem variar de 49 a 71 m.

2.2 -E agora, voc consegue responder a questo prvia?

Resposta:Os valores obtidos na questo anterior.

Questo para reflexo e discusso

1 - Por que se consegue armazenar mais informaes no CD eno DVD do que no antigo disco LP (long play)?

Resposta: No antigo LP, a quantidade de ranhuras por mm, era daordem de 9 ranhuras mm, ou seja, era possvel armazenar bemmenos informaes do que um CD (833 ranhuras mm) e de um DVD(2000 ranhuras mm).


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Sugesto de Interface com outras disciplinas

Informaes Adicionais

Teoria ondulatria da luz:A propagao da luz realizada atravs de ondas

eletromagnticas, que so uma combinao de vibraes de campos eltricos emagnticos. Na segunda metade do sculo XIX, James Clerk Maxwell (1831

Biologia: Uso do laser em aplicaes mdicas e no estudo das clulasbiolgicas.

Questes Desafio

1 - O fenmeno da difrao utilizado para medidas na escalamicro como vimos no nosso experimento que tratou da distncia

entre as ranhuras de um CD DVD e da espessura de um fio decabelo. D outros exemplos, em que poderiam ser realizadasmedidas, utilizando o fenmeno da difrao.

Resposta:Utilizando o mesmo mtodo para medir a espessura de um fiode cabelo, podese determinar a distncia entre as linhas de tela deserigrafia utilizada na produo de imagens tipo silkscreen.

2 - O que necessrio para fazer a medida de usando ofenmeno da difrao?

Resposta: necessrio obter um objeto capaz de difratar a luz: construirpropositalmente uma rede de difrao. Por exemplo: Traando ranhurasnuma lmina de vidro ou linhas numa folha de papel.


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1879), atravs da sua teoria do eletromagnetismo, provou quea velocidade com que a onda eletromagntica se propagava noespao igual velocidade da luz, cujo valor aproximadamente: c = 3 x 108m/s = 300 000 km/s. Maxwellestabeleceu teoricamente que a luz uma modalidade de

energia radiante que se propaga atravs de ondaseletromagnticas. Hertz, 15 anos aps a descoberta deMaxwell, comprovou experimentalmente a teoria ondulatriaproduzindo ondas atravs de um circuito oscilante.

As caractersticas de uma onda so: o comprimento de onda () e a frequncia(f).A velocidade da onda dada pelo produto do comprimento de onda, ,multiplicado pela frequncia, f, ou seja, este produto constante para cadameio:

V = f (1)

Essa relao mostra que quanto maior a frequncia da onda, menor o seucomprimento e viceversa (figura 7).


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O espectro eletromagntico, que representa o conjunto de ondaseletromagnticas (figura 8), apresenta vrios tipos de ondas: ondas de rdio,microondas, radiao infravermelha, luz (radiaes visveis), ultravioleta, raiosX e raios gama. Todas as ondas eletromagnticas diferem entre si pelafrequncia, mas se propagam com a mesma velocidade no vcuo.

Difrao da luz:contrariando o princpio da propagao retilnea, a luz tem apropriedade de contornar obstculos colocados em sua trajetria. Estefenmeno conhecido como difrao da luz. A difrao ocorre tambm quandoa luz atravessa fendas estreitas, da ordem do comprimento da onda da luzincidente, projetando-se sobre um anteparo, regies brilhantes ou escuras.Utilizando uma fonte de luz monocromtica, como por exemplo, um laser, pode-

se facilmente observar a difrao atravs de um obstculo ou de uma fenda.

Ao se iluminar um pedao de papelo no qual h uma fenda larga com um feixede luz formado por raios paralelos e monocromticos (de uma s cor), possvel observar que ser projetada na tela uma tira luminosa de contornosbem definidos. Ao se estreitar a fenda, a tira luminosa ir se alargar ao invs dediminuir e a luz invadir a regio de sombra. Quanto mais estreita for a fenda,mais acentuado ser o efeito (figura 9).


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Como o fenmeno da difrao s observado em fendas muito estreitas, issoindica que a luz uma onda com comprimento de onda pequeno. A difrao s observada quando a dimenso da largura da fenda for menor ou da ordem degrandeza do comprimento de onda da luz, ou seja:

d2 < d1 < onde o comprimento de onda da luz

A difrao da luz, quando decorrente da incidncia da luz monocromtica emum obstculo, como, por exemplo, um fio de cabelo, vai apresentar regiesclaras e escuras como mostra a figura 10, onde x a distncia entre os doismximos da luz difratada no anteparo.


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A equao da difrao dada pela expresso:

onde

x - a distncia entre dois mximos da luz difratada; L - distncia do anteparo ao obstculo ou fenda; d - tamanho da fenda ou do obstculo.

Nos experimentos, ser utilizado um laser como fonte de luz monocromtica.

Laser: o significado da sigla laser em ingls light amplification bystimulated emission of radiation e em portugus traduzida comoamplificao de luz pela emisso estimulada de radiao. Foi inventado em1960 e apresenta as seguintes caractersticas:

Monocromtico - todas as ondas de luz tm a mesma frequncia; Coerente - todas as ondas de luz esto em fase; Colimada - todas as ondas de luz so paralelas.

O laser utilizado na medicina, odontologia, indstria, para leitura e fabricaodos CDs e DVDs e outros. Nos nossos experimentos o laser ser utilizado paraobservar o fenmeno da difrao.

Crditos

Projeto Acessa Fsica

Instituio Executora IBTF - Instituto Brasileiro de Educao e

Tecnologia de Formao a DistnciaProf. Dietrich SchielCoordenadores de Contedo

Prof. Yvonne Primerano Mascarenhas

Coordenador Pedaggico Hamilton Silva

Prof. Antonio Carlos de Castro

Prof. Carlos Alfredo Argello

Prof. Carolina Rodrigues de Souza Miranda

Prof. Iria Muller Guerrini

Autores, Co-autores e

Professores Convidados

Prof. Marco Aurlio Pilleggi


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Difrao: Instrumento de medida - Verso 1.0

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Prof. Sergio Henrique de Souza Motta

Criao de Linguagem Cao Hamburger

Editora de vdeo Daniela Cacuso Bellarde dos Santos

Ilustrador Matheus Augusto Alves Tognetti

Locutor Julio PerontiProgramadores Nilton Jorge Borges

Priscila Mascarenhas Luporini

Parceiros CDCC - Centro de Divulgao Cientfica e

Cultural USP

IEA - Instituto de Estudos Avanados -

So Carlos USP

Projeto financiado pelo MEC - Ministrio da Educao e pelo MCT -

Ministrio da Cincia e Tecnologia

Creative Commons - Atribuio 2.5 Brasil

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