Aula 1

Metodologia do Ensino da Física 2 – EDM426
Professor Doutor Maurício Pietrocola
Sequência Didática Experimental
Experimentos de Óptica usando Laser Pointer
Licenciatura em Física Noturno
Newton Soldá
Eduardo Parra
Renata Mendes Nory
N.USP:1432331
N.USP:3228100
N.USP:3298252
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Resumo:
A finalidade dessa sequência didática experimental é mostrar ao
professor do ensino médio alguns experimentos de óptica de baixo
custo utilizando um laser pointer,
laser ou caneta laser.
também chamado apontador
Esse tipo de fonte de luz possui a
desvantagem de ter que permanecer fixo num suporte com o botão
ligado o tempo todo.
A sequência é composta de quatro aulas,
sendo uma de apresentação, duas de reflexão, uma de difração e
uma de franjas de interferência.
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Aula 1:
Experimentos de óptica usando laser pointer.
Objetivo:
Apresentar
o
laser
pointer
como
instrumento
de
óptica
experimental.
Módulo do Professor:
O laser pointer que os professores muitas vezes usam em sala de
aula pode ser utilizado também como fonte de luz em experimentos
de óptica,
porque a luz gerada é monocromática,
coerente,
colimada e polarizada. O professor deve concientizar os alunos a
tomar cuidado com os olhos com esse tipo de raio de luz. O laser
apontador é do tipo LED(light emission diode),
de baixo
custo(aproximadamente 20 reais), fácil manuseio, comprimento de
onda entre 630 e 680 nm(faixa espectral vermelho) e potência
média de 1 mW. É possível realizar os seguintes experimentos:
- demonstrar a lei da reflexão,
- medir o índice de refração da água,
- produzir redes de difração,
- demonstrar a interferência de dois feixes coerentes,
- medir o foco de uma lente convergente,
- medir o ângulo crítico numa reflexão interna.
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Nessa aula o professor deverá fazer uma apresentação da caneta
laser e comparar a luz gerada(luz monocromática) com a luz
natural(policromática).
Depois dessa aula os alunos estarão
concientes dos cuidados ao manusear o laser e serão capazes de:
diferenciar o que é uma luz monocromática de uma policromática, e
além disso perceber que a luz natural pode ser decomposta num
prisma.
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Aula 2:
Propagação retilínea e reflexão total da luz.
Parte A:
Propagação retilínea da luz.
Objetivos:
Este experimento visa demonstrar o princípio da propagação
retilínea da luz verificando que a luz em meios transparentes e
homogêneos se propaga em linha reta. Também é possível verificar
que a luz, para percorrer uma distância qualquer entre dois pontos
determinados,
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procura um caminho onde ela minimiza o tempo de seu percurso,
esta última observação é o chamado “Princípio do tempo (ou ação)
mínima de Fermat”.
Materiais utilizados:
- um pedaço de véu,
- laser pointer.
Módulo do professor:
Para conseguir um bom efeito na experiência é aconselhável que se
use um pedaço de véu de aproximadamente 1 m2.
Descrição do experimento:
1.)Estenda o véu no chão de uma maneira que fique parcialmente
dobrado.
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Módulo do professor:
Coloque o véu no chão e empurre ambos os lados do véu formando as
dobras de maneira aleatória, de tal forma que o véu fique com uma
altura de aproximadamente 10 cm. O formato lembra uma toalha
empurrada em uma mesa.
2.)Ilumine uma de suas extremidades com a luz laser.
Módulo do professor:
Para se ter um bom efeito no experimento, é aconselhável diminuir
a luz no recinto de forma considerável,
não é necessário ficar
totalmente no escuro. Posicione a caneta laser de tal forma que os
alunos percebam um feixe de luz retilínea atravessando o véu.
Os alunos devem ser levados a concluir que a luz tem uma
propagação retilínea. É importante mostrar para os alunos que o
mesmo efeito pode ser conseguido usando outros meios materiais
como pó de giz, fumaça, farinha, vapor de nitrogênio, etc.
Parte B:
Reflexão total da luz.
Objetivos:
Demonstrar o fenômeno da reflexão total da luz e sua relação com
o ângulo limite (L),
e verificar que os raios com ângulos de
incidência superiores a L refletem integralmente.
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Materiais utilizados:
- Aquário,
- Água,
- Leite em pó,
- Caneta Laser.
Descrição do Experimento:
1.)Coloque água no aquário, e em seguida acrescente umas pitadas
de leite em pó.
Módulo do professor:
Oriente os alunos para que coloquem a água até uma altura entre 15
e 20 cm aproximadamente (dependendo do tamanho do aquário).
Para melhor visualizar o fenômeno adicionar uma ou duas pitadas de
leite em pó na água,
sendo suficiente para deixá-la turva.
É
importante que se escureça o ambiente deixando-o com a mínima luz
possível.
2.)Ilumine uma das extremidades do aquário formando um ângulo de
incidência aproximadamente 450 com relação à normal.
Módulo do professor:
Se observarmos o esquema veremos que existe uma refração na
parede lateral do aquário, mostre aos alunos que queremos apenas
analisar o fenômeno da reflexão total,
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é por isso utilizaremos o feixe refratado na água como o feixe de
luz incidente.
O ângulo de 45 é apenas uma referência para
determinar o ângulo limite.
3.)Varie o ângulo de incidência da laser pointer (para cima ou para
baixo) até que consiga um raio refletido como está na figura.
Analise o fenômeno.
Módulo do professor:
Faça o feixe de luz penetrar no aquário com um ângulo total que a
incidência na superfície entre a água e o ar seja maior que o ângulo
limite. Explique aos alunos que o efeito da reflexão total é possível,
pois o feixe de luz analisado está se propagando do meio mais
refringente (água) para o meio menos refringente (ar) com um
ângulo de incidência maior que o ângulo limite (L), por isso que o
feixe reflete de volta para a água. O seno de L pode ser obtido
facilmente dividindo o índice de refração menor(nmenor) pelo índice
de refração maior(nmaior). Temos sen L = nmenor/ nmaior. Uma última
observação é que com o ângulo i > L da reflexão total, os raios
refletidos incidem no fundo do aquário refletindo novamente no
dioptro ar/água repetindo o fenômeno, obrigando a luz a sofrer
nova reflexão total, até sair pela outra extremidade do aquário.
Com relação a esta última observação,
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comente com os alunos que as sucessivas reflexões totais são a
base de funcionamento das fibras ópticas que transmitem luz a
grandes distâncias, o aquário é portanto um modelo de fibra óptica.
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Aula 3:
Simulando uma fibra ótica
Objetivos:
Reproduzir o fenômeno da reflexão total da forma simulada ao que
ocorre no interior de uma fibra ótica.
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Materiais utilizados:
- recipiente plástico,
- uma garrafa (Pet) com um pequeno furo (4mm de diâmetro) com
tampa de borracha,
- água,
- laser pointer,
Módulo do professor:
Para que o experimento seja bem sucedido e se consiga o efeito
desejado, é necessário que o furo da garrafa esteja alinhado com a
direção do feixe de luz do laser apoiado no suporte. Uma sugestão
é que o furo seja feito com uma altura de 5cm,
assim como o
suporte, que pode possuir uma canaleta para fixar o laser.
Descrição do Experimento:
1.)Apoie a garrafa no canto da mesa e posicione o recipiente de
plástico no chão, a seguir encha a garrafa com água e solte a tampa
de borracha,
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para que se forme um filete de água,
contínuo e curvo,
de tal
forma que o filete se dirija ao receptáculo (recipiente de plástico).
Módulo do professor:
Coloque o recipiente de plástico bem próximo à garrafa antes de
retirar a tampa de borracha para evitar que a água caia fora e
coloque cuidadosamente o recipiente de plástico no chão, para que
o filete caia no receptáculo
2.)Posicione o laser pointer no suporte, alinhe na direção do furo e
faça incidir a luz emitida exatamente saída de água.
Módulo do professor:
O feixe emitido sofre duas refrações ( a primeira do ar para a
parte da garrafa e a segunda da garrafa para a água),
o feixe
refratado na água é aquele que deverá incidir na saída da água, o
suporte e o furo devem estar dimensionados levando em conta
esses pequenos desvios.
A luz vermelha do laser pointer será
aprisionada pelo filete de água através do fenômeno da reflexão
total. Esse fenômeno será observável num ambiente escuro. Assim,
simula-se uma fibra ótica utilizada em comunicações, na medicina,
etc.
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Aula 4:
Mostrar o fenômeno da difração.
Objetivo:
Observar figuras de difração formadas por um CD(compact disc) e
uma pena de pássaro com uma caneta laser.
Materiais utilizados:
- laser pointer,
- um CD,
- uma pena de pássaro.
Módulo do professor:
Antes de começar o experimento, o professor deve explicar aos
alunos que a difração é um desvio sofrido pela luz ao passar por um
obstáculo da ordem de grandeza do comprimento de onda da onda
incidente, é um fenômeno eminentemente ondulatório e que pode
ser explicada pelo princípio de Huygens.
Descrição do experimento:
1.)Incidir o raio de luz do laser sobre um CD de filme removido.
2.)Sobre a parede será formada a imagem da difração.
3.)Trocar o CD por uma pena de pássaro.
4.)Será formado também imagens de difração.
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Depois dessa aula os alunos saberão que o fenômeno da difração é
ondulatório e que só pode ser formado com aberturas da ordem de
grandeza do comprimento de onda, daí o porque de se usar um CD e
uma pena.
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Aula 5:
A Interferência e suas franjas: A reprodução da experiência de
Young
Módulo do Professor:
Nesta aula, pretende-se abordar os conceitos de difração de onda
e de interferência.
Para isto,
o professor deve começar pela
explicação do que é frente de onda e do Princípio de Huygens.
Como sugestão de um pequeno texto para orientação do professor,
que não deve contentar-se apenas com ele, segue o abaixo,
extraído de um site na Internet:
“
No seu Traité de la Lumierè, publicado em 1.690, Huygens discutiu o processo de propagação da luz com o
auxílio de um novo princípio, o qual recebeu o seu próprio nome. Até aquele momento a luz era considerada um distúrbio
em um meio, o espaço. Huygens supôs que, em um determinado instante t=t0, uma fonte de luz gera um distúrbio o qual
é propagado como uma onda esférica a qual expande-se em uma velocidade constante, velocidade da luz. Este distúrbio
inicial expande-se para um distúrbio em um instante subsequente t=t1 através de uma sucessão de estados em
instantes intermediários. Huygens imaginou cada ponto da frente de onda como centro de uma perturbação, emitindo
ondas secundárias. Deste modo, se for considerado cada elemento da onda isoladamente em um instante t=t' como o
centro de um novo distúrbio, o atual efeito no instante t=t1 é o resultado de todos estes efeitos secundários, a onda
atual é o envoltório de todas as ondas secundárias.
Embora este princípio produza resultados corretos, ele traz
consigo implicações que devem ser consideradas. Huygens postulou que a ação das ondas secundárias está confinada
nas partes onde elas tocam seus envoltórios, e ele considerou somente estas partes do envoltório as quais se
posicionam na direção frontal à da propagação. Não houve porém, nenhuma justificativa física ou matemática para esta
decisão arbitrária de ignorar as outras partes das ondas secundárias. Em um dado momento, qualquer ponto da frente
de onda primária é considerado um emissor contínuo de ondas esféricas secundárias”.
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Módulo do professor:
Em seguida, pode iniciar os estudos da difração e da interferência,
inicialmente da maneira teórica e,
depois,
utilizando-se do
experimento, que será descrito mais adiante. O professor poderá
fazer uma breve apresentação das teorias conflitantes sobre a luz
(do conflito entre as visões de luz de Newton e de Huygens –
partícula ou onda). Em seguida, apresentar o seguinte trecho de um
texto, também extraído da Internet, e pedir para que os alunos o
leiam:
“No dia 24 de novembro de 1803, Thomas Young relatou o seu
experimento diante de uma audiência firmemente convencida de que a luz é
formada por corpúsculos emitidos pelos corpos luminosos. Os membros da Royal
Society of London não podiam pensar diferente. Afinal, o próprio Newton
dissera, em 1704, que a luz viaja em linha reta e, portanto, só pode ser
formada por projéteis minúsculos, jamais por ondas como propôs Huygens. Se
fosse uma onda, dizia o grande Newton, o contorno da sombra dos objetos
colocados ao sol não seria nítido. Após descrever o experimento e
seus resultados, Young concluiu: "nem os mais preconceituosos poderão
negar que as bandas observadas são produzidas pela interferência de duas
porções de luz". Com o experimento, Young, de certa forma, vingava
Christian Huygens, o proponente original da teoria ondulatória da
luz”.
Como diz a frase final do texto, Huygens levou a melhor, tendo sua
teoria confirmada pela experiência de Young.
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Módulo do Professor:
O próximo passo seria perguntar para os alunos como eles acham
que foi esta experiência, que decidiu a discussão. Certamente eles
não terão a menor idéia, a não ser que tenham lido em algum livro
didático. Desta maneira, cria-se um clima de curiosidade – se a aula
for bem conduzida, é claro – e mais propício para a apresentação
da experiência.
Reproduziremos a experiência original de Young,
que não foi a de fenda dupla, como sempre é descrito.
O seguinte texto pode ser dado aos alunos de modo que eles
mesmos, através de um relato que não é uma “receita de bolo” da
experiência, possam construi-la e verificarem por si mesmos os
conceitos tratados na aula: a difração e a interferência.
“O experimento de Young ficou conhecido como o experimento da fenda dupla, embora na forma original
não usasse fendas. Young fez um
raio de sol penetrar por um pequeno orifício na janela de uma sala escura
com auxílio de um espelho, produzindo um feixe luminoso de pequeno
diâmetro. Quando uma carta de baralho era alinhada com o feixe de luminoso de
maneira a dividi-lo em dois feixes paralelos, franjas de
interferência podiam ser observadas no anteparo. Só mais tarde é que o experimento tomou a forma
conhecida hoje, com a fenda dupla”.
Material utilizado:
- um laser pointer,
- um fio de cabelo,
- uma folha de papel canson.
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Descrição experimental:
Os alunos, reunidos em grupos (de modo que um segure o cabelo, o
outro o laser etc), devem, sob orientação do professor em casos de
maior dificuldade, chegar à montagem experimental desejada, com
o feixe laser apontando na direção da “espessura” do baralho, ou, no
caso do fio de cabelo,
que é esfericamente simétrico, chegar à
conclusão de que o feixe deve incidir sobre ele. Para que isto seja
alcançado, os alunos devem fazer um exercício de percepção de
quais elementos reais, que eles têm disponíveis para a realização do
experimento, correspondem aos do texto e que papel eles devem
desempenhar.
Devem identificar que o anteparo é a folha de
canson, que o cabelo é o baralho e que o laser pointer é a fonte de
luz.
Isto foi imaginado com o intuito de propor um desafio aos
alunos,
de modo que eles se sintam motivados a realizarem a
proposta.
Módulo do professor:
Após a realização do experimento,
cujas dúvidas a respeito já
foram solucionadas pelo professor, e com o objetivo da visualização
do padrão de interferência atingido, o professor poderá fazer uma
avaliação do aprendizado atingido pelos alunos, pedindo que eles
escrevam um relatório, como se fossem o experimentador
personagem da aula Young, relatando seu método de
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experimentação, seus resultados e a explicação para o fenômeno
observado.
Este tipo de avaliação serve tanto para avaliar os
alunos,
como também o professor,
ou sua aula e metodologia.
Assim,
possíveis falhas podem ser corrigidas para uma melhora
futura da aula.
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