criado em 08/09/2002

LABORATÓRIO VIRTUAL – QMC510X
criado em 08/09/2002
modificado em 16/03/2009
PROF. CÉSAR VITORIO FRANCO
(Para todas as turmas)
Durante a estada de Richard Feynman no Brasil – um dos poucos ganhadores do
Prêmio Nobel que o Brasil pode conhecer de perto -, os alunos pediram a ele que desse
uma aula sobre nossos métodos de ensino na área de física. Feynam pegou cinco ou seis
livros de física adotados pelo MEC naquela época e um mês depois disse que só daria
aquela aula no último dia de sua permanência no Brasil. No dia fatídico, dezenas de
professores de física se reuniram para ouvir sua palestra. Essa história é contada por Ele
no livro Deve Ser Brincadeira, Sr. Feynman.
Começou assim a palestra: “Triboluminescencia, diz no livro de vocês, é a
propriedade que certas substancias possuem de emitir luz sob atrito”. E mostrou como
nossos livros apresentavam a matéria pronta, incentivavam a decoreba, eram
essencialmente chatos e confusos. Segundo Feynam, ensinar o que é a triboluminescência
ficaria muito mais divertido se o professor convidasse o aluno a ir para a cozinha e
seguisse o roteiro:
“Pegue um torrão de açúcar e coloque-o no congelador. Acorde ás três da manhã,
vá até a cozinha e abra o congelador. Apague as luzes, garanta um ambiente de bastante
escuridão, amasse o torrão de açúcar com um alicate e você verá um clarão azul. Isso se
chama triboluminescencia”. Este trecho foi adaptado da matéria “Estimulando a
curiosidade” de Spephen Kanitz, VEJA 29 de outubro, 2003
Com o laboratório virtual Eu me proponho a oferecer aos meus alunos a
oportunidade de interagir com os fenômenos e assim consolidar os conhecimentos
transmitidos em sala de aula, pois o objetivo final de minhas aulas é o de estimular o
espírito investigativo em cada um de vocês, e não formar decoradores da matéria.
Apenas conteúdo, desprovido de demonstração forma apenas eruditos. Porem não é
mais de eruditos que o mundo precisa. No mundo moderno necessitamos de pessoas
pesquisadoras, curiosas, exploradoras, buscadoras de solução para os problemas.
Eu desejo a todos vocês bons momentos na execução desses experimentos, torço para que
todos os sites estejam no ar, e que vocês adquiram o verdadeiro conhecimento, aquele
que adquirimos fazendo e observando as coisas funcionando, e não decorando.
DIVIRTAM-SE
IMPORTANTE: O relatório deve ser entregue na data combinada conforme o
cronograma da disciplina deverá ser manuscrito podendo ser a lápis. Não aceitarei
relatórios digitados em computador, apenas os manuscritos. Caso algum site não
funcionar, comunicar imediatamente ao seu professor [email protected]
1Visite o site
http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/scienceopticsu/powersof10/index.html e
navegue do infinitamente grande ao infinitamente pequeno. Escolha as escala
onde se aplica a lei de Newton, as em que se aplicam as leis da mecânica quântica
e a mecânica relativística. De os valores da escala para cada caso no modo de
navegação manual.
RADIACOES ELETROMAGNETICAS
(se algum site mudar, navegue ate enconrar Interactive Java Tutorials e
Electromagnetic Radiation).
3. Visite o http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/electromagnetic/index.html
Para cada barra deslizante escolha três parâmetros numéricos e desenhe a onda
resultante para cada serie de parâmetros escolhidos e comente os resultados. Leia
o texto e transcreva as principais definições encontradas e comente-as.
4. Visite o http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/wavebasics/index.html
Para cada barra deslizante escolha três parâmetros numéricos e desenhe a onda
resultante para cada serie de parâmetros escolhidos e comente os resultados. Leia
o texto e transcreva as definições que não estão em 3 e comente-as.
5. http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/polarizedlight/emwave/index.html
Neste tutorial JAVA uma antena constituída de dois condutores forca uma carga
elétrica (um elétron) a vibrar e este emite uma radiação eletromagnética que se
propaga no espaço. Escolha três distintos comprimento de onda para esta radiação e
desenhe a figura resultante. Este é o principio da propagação eletromagnética de uma
antena de celular, radio, TV e outros dispositivos de radiação eletromagnética.
6. http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/radiowavetuner/index.html
Neste tutorial você tem o dispositivo de sintonia de freqüência de ondas
eletromagnéticas. A antena recebe todas as emissões eletromagnéticas provenientes
das estações comerciais. Sintonize a sua estação preferida de FM e relate qual a
capacitância do capacitor para selecionar apenas essa freqüência dentre um grande
numero de freqüências recebidas pela antena. Este é o principio da propagação
eletromagnética de uma antena de celular, radio, TV e outros dispositivos de radiação
eletromagnética.
7. O EXPERIMENTO COM TUBOS DE RAIOS CATÓDICOS
4. Ajuste a barra deslizante do controlador de Voltagem para variar a corrente total do
feixe de descarga elétrica do tudo de raios catódicos, indo de 18 V para 91 V. Descreva
as alterações observadas na descarga e relate todos os detalhes da experiência, inclusive
qual era o objetivo inicial de Crookes ao usar uma cruz de malta colocada defronte ao
feixe.
http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/crookestube/index.html
EXPERIMENTO COM INTERFERÊNCIA ONDULATÓRIA
1. No site http://www.acoustics.salford.ac.uk/feschools/waves/super2.htm voce irá
se deparar com uma animação contendo ondas sendo geradas por duas fontes de
vibracçao mecânicas em um tanque de água. Na primeira animação, apenas
procure se inteirar do que esta acontecendo e então passe para a seguinte. Ative o
botão show markings e verifique qual das linhas descreve o trajeto da
interferência construtiva (in fase - máxima) e o trajeto da interferência destrutiva
(fora de fase - mínima) e qual das ondas interferentes. A seguir responda a
pergunta : Why can two sources generate maxima and minima? Para responder va
ate a animação seguinte e ative o botão vermelho (show máxima exemple) parfa
obter Máxima construtive interference. Depois acione o botão amarelo (show
mínima exemple) para obter Minina destructive interference. Compare as duas
situações verificando a forma das ondas que atingem o S1 e S2. Responda a
questão em forma de analise. O que significa a afirmação S1 and S2 are coherent
source in phase Antes defina o significado de fontes coerentes. Analise a
equação que descreva as diferenças de percurso e fase no final da animação com
exemplo numerico.
http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/interference/doubleslit/index.html
e clique o cursor sobre a xícara do Java. Ou então espere para que o Applet seja
baixado em seu computador. Automaticamente ira surgir um tutorial sobre a
interferência de duas ondas. Ajuste o abertura das fendas e observe o resultado das
interferncias.
Em
http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/interference/waveinteractions/index.html
você identificará os botões de controle para a freqüência e para o ajuste do ângulo de
fase e o valor da amplitude de cada onda, as ondas A e B. Siga as instruções e
responda as perguntas formuladas:
1.1. ajuste a freqüência para 542 nm para a onda A e 460nm para a onda B. Qual a
cor da luz para cada caso?
1.2. Ajuste a fase 0o para A e 180º para B e os valores de amplitude em 50 Candelas
para A e B. Desenhe a forma da onda resultante. Como neutralizar as duas ondas
e formar uma interferência destrutiva?
1.3. Qual a resultante da interferência se mantiver ajustados os parâmetros do 1.3 e
mudar apenas a amplitude de A para 45 Candelas e B para 90 Candelas?
1.4. Como formar uma interferência construtiva? Descreva os valores usados para
todos os parâmetros.
2. Visite a pagina
http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/doubleslitwavefronts/index.html
e clique o cursor sobre a xícara do Java. Ou então espere para que o Applet seja
baixado em seu computador. Automaticamente ira surgir um Tutorial sobre a
interferometria por dupla fenda.
2.1. Verifique como a distribuição de intensidades varia com a distancia entre as
fendas no mínimo, no Maximo e no valor intermediário.
2.2. Desenhe essas formas.
2.3. Use o site http://www.people.vcu.edu/~rgowdy/mod/113/yngs2smv.htm#2-3
para complementar o seu entendimento do fenômeno.
2.4. Verifique as cores de uma bolha de sabão em função da espessura da bolha
2.5. http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/interference/soapbubbles/index.html
Racionalize os resultados.
3. Visite a pagina http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/electromagnetic/index.html e
clique cursor sobre a xícara do Java. Ou então espere para que o Applet seja baixado
em seu computador. Automaticamente ira surgir um Tutorial sobre a propagação da
luz em um espaço tridimensional. Com a ajuda do cursor você poderá observar a onda
se propagando em diversas direções. Ajuste a freqüência para 375 nm, 480 nm e 700
nm. Descreva a cor obtida em cada freqüência.
4.
Visite a pagina http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/wavebasics/index.html e
clique cursor sobre a xícara do Java. Ou então espere para que o Applet seja baixado
em seu computador. Automaticamente ira surgir um Tutorial sobre a propagação da
luz em um espaço bidimensional. Verifique a cor e a energia das ondas para as
seguintes freqüências; 4.0 E 14 Hz ; 5.0 E 14Hz; 6.0 E 14Hz; 8.1E 14Hz. Ao variar
a amplitude a energia da onda ira mudar?
5. Visite a pagina http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/colortemperature/index.html
e clique cursor sobre a xícara do Java. Ou então espere para que o Applet seja
baixado em seu computador. Automaticamente ira surgir um Tutorial sobre a
irradiação de cor de um corpo negro ira surgir. Ajuste a temperatura da base do corpo
para 5054K e teça seus comentários sobre as temperaturas das cores resultantes ao
longo do corpo.
6.
No site http://www.people.vcu.edu/~rgowdy/mod/113/ocnwvmv.htm#1-4 verifique
onde há interferência construtiva e destrutiva quando duas ondas do mar se cruzam.
Diga qual a cor do gráfico representa a interferência construtiva e qual a cor
representa a interferência destrutiva
7. Visite as paginas http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/particleorwave/refraction/index.html
http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/particleorwave/reflection/index.html
http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/particleorwave/diffraction/index.html
http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/doubleslitwavefronts/index.html
http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/polarizedlight/filters/index.html
e verifique através dos experimentos virtuais propostos como a luz se comporta
em cada caso e verifique qual o modelo mais adequado para explicar o
comportamento da luz; ondulatório ou corpuscular. Após uma analise detalhada de
cada experimento, compare os experimentos acima e selecione aquele que da prova
inequívoca de que a luz segue o modelo ondulatório e aquele que da prova
inequívoca de que a luz segue o modelo corpuscular.
O EXPERIMENTO DE RUTHERFORD
1. Para operar os seguinte tutorial, use o controle deslizante para aumentar a abertura da
fenda de 0.1 a 9.0 nanômetros. Este experimento clássico de difração foi conduzido em
1911 por Hans Geiger e Ernest Marsden por sugestão de Ernest Rutherford e esta no site
http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/rutherford/index.html
Qual era a expectativa inicial de Geiger e Marsden? Porque? Como Rutherford
interpretou o resultado surpreendente do experimento? Ao acompanhar os eventos
você concorda com a idéia exposta por Rutherford?
ABSORÇÃO E EMISSÃO DE FÓTONS
1. Visite o site
http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/fluorescence/exciteemit/index.html e
selecione os comprimentos de onda em 422nm e em 580 nm. Ao incidir um fóton
sobre o átomo, uma órbita ira capturar o pacote de energia do fóton e o elétron ira
saltar para uma órbita mais energética. Qual é a cor do fóton absorvido? Qual a
órbita ocupada? Qual a cor do fóton na re-emissão? Porque o fóton emitido tem
cor de energia sempre menor que a do fóton absorvido? Leia o texto e transcreva
as principais definições encontradas e comente-as.
2. Veja essa resposta fazendo o experimento no
site http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/jablonski/index.html. Refaça o
experimento usando fótons de energia de comprimento de onda de 477nm,
532nm, 575nm e 640nm. |O que se observa com relação a cor do fóton emitido?
3 . Jablonski Energy Diagram
http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/jablonski/lightandcolor/index.html
Ao ser excitado dos níveis vibracionais fundamentais S0, o elétron passa a ocupar
níveis vibracionais excitados S1. Ao voltar para o estado fundamental o elétron
transita por vários modos vibracionais ate saltar definitivamente para o estado
fundamental ocupando níveis vibracionais excitados e depois decaindo para o
estado de mínima energia ou estado fundamental. Qual o tipo de radiação emitida
para cada transição. Discernir entre os modos vibracionais dos eletrônicos e o tipo
de energia emitido por cada um desses modos, por exemplo, energia térmica
(calor) ou energia luminosa (luz visível ou ultravioleta). Pode um átomo absorver
luz verde e emitir luz azul ou ultravioleta Explique a sua resposta. Leia o texto e
transcreva as principais definições encontradas e comente-as.
O EFEITO FOTOELÉTRICO
1. Ao acessar o site
http://lectureonline.cl.msu.edu/~mmp/kap28/PhotoEffect/photo.htm
o estudante ira se deparar com uma simulação de um experimento sobre o efeito
fotoelétrico. Neste experimento a luz colide sobre o catodo (Césio ou sódio) de
uma célula fotoelétrica e causa a emissão de elétrons (ou não). Para encontrar o
máximo da energia cinética dos elétrons ejetados do catodo, é necessário
aumentar a intensidade da voltagem de retardo por meio de uma conexão
potenciométrica, assim a uma determinada voltagem nenhum elétron poderá
incidir sobre o anodo (A). Você poderá ver na tarja superio a corrente que flui
entre os eletrodos quando este são iluminados. Qual a cor que não emite elétrons
em nenhuma circunstancia para o Césio e para o Sodio. Fazer uma análise das três
serie de medidas por meio de um diagrama, um para cada metal. Fazer o gráfico
de voltagem aplicada versus corrente para a cor azul 494 nm a 45% de
intensidade. Na região onde o efeito fotoelétrico cessa tente aumentar a
intensidade da luz para 95%. O que acontece Compare os dois gráficos e
determine a inclinacao dos mesmos. Existe meio de determinar a constante de
Planck a partir desses gráficos Pesquise na literatura.
Sigua o procedimento e descreva os resultados


Set the voltage to 0. Vary the wavelength. Observe the onset of the photo-current.
What are the biggest wavelengths for the three materials, for which you still
detect photo-current?
Set the voltage to 0. Go to a wavelength bigger than the onset poin and vary the
intensity of the light? Is there ever any photo-current? What if you raise the
voltage?

Go to a wavelength smaller than the onset value and vary the voltage. Observe the
resulting photo-current.
2 . Repita os mesmos procedimentos usado um experimento mais elaborado e de
aplicação direta
http://www.walter-fendt.de/ph11e/photoeffect.htm.
Neste experimento a luz colide sobre o catodo (C) de uma célula fotoelétrica e
causa a emissão de elétrons (ou não). Para encontrar o máximo da energia cinética
dos elétrons ejetados do catodo, é necessário aumentar a intensidade da voltagem
de retardo por meio de uma conexão potenciométrica, assim a uma determinada
voltagem nenhum elétron poderá incidir sobre o anodo (A). O medidor de cor azul
indica a grandeza da voltagem de retardo. Você poderá ver a cor vermelha do
medidor a cada vez que os elétrons atingirem o anodo. A análise das três serie de
medidas por meio de um diagrama, irá resultar em três linhas paralelas.
Adicionalmente, você irá ler a função de trabalho para os respectivos materiais
catódicos (em unidades de eV, i.e. Elétron Volt) diretamente da intercessão com
os eixos verticais. Compare os gráficos obtidos acima com os do experimento
abaixo. Discuta os resultados.
A TEORIA ATÔMICA SEGUNDO BOHR
1. Visite o site:
http://www.walter-fendt.de/ph11e/bohrh.htm
2. Ative o circulo em wave model e verifique como uma onda se encaixa nos
diversos níveis de energia. Depois clique Particle model e verifique como o
elétron órbita.
3. Determine o raio r e a energia E em ev e em J para o elétron nos seguintes níveis,
n = 4, n = 5, n = 8 e n = 9. A energia aumenta ou diminui. Qual o significado do
sinal negativo? Porque a energia segue esse comportamento?
ONDAS ESTACIONARIAS
Antes de estudar as ondas estacionarias, saiba o que são Ondas transversais
http://www.surendranath.org/Applets/Waves/Twave01/Twave01Applet.html
e Ondas longitudinais
http://www.surendranath.org/Applets/Waves/Lwave01/Lwave01Applet.html
1. As ondas estacionarias transversais e longitudinais podem ser melhor
compreendidas visitando o site
Para as ondas estacionarias transversais
http://www.physics.smu.edu/~olness/www/05fall1320/applet/pipe-waves.html
Para as ondas estacionarias longitunais
http://www.walter-fendt.de/ph14e/stlwaves.htm
Neste Java applet é demonstrado as harmônicas de uma onda Os nodos, isto é, o
lugar onde as partículas na movem, são marcados como "N". "A" significa um
antinodo, i.e. um lugar onde as partículas oscilam com a máxima amplitude. Trace
um paralelo entre esta demonstração e as funções de onda. Clique sobre o circulo
ativando both sides open, depois one side open, e finalmente both sides closed.
Qual deles simula a solução da equação de Schoedinger para o elétron dentro de
um espaço unidimensional. Qual o paralelismo que existe entre esta situação e a
probabilidade de encontrar o elétron no espaço unidimensional? Racionalize e
especule sobre a correlação entre a onda sonora representando o movimento das
moléculas do ar e as ondas de probabilidade de se achar uma partícula em
determinado espaço.
OS ORBITAIS ATÔMICOS
1. Examine a forma e posição dos orbitais , s, p, d, e f, escolhidos da caixa de menu
do site http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/atomicorbitals/ . Comente sobre
as formas dos orbitais f . Faça a sobreposição de todos os orbitais d e depois a
sobreposição de todos os orbitais f.
2. Visite a pagina http://www.orbitals.com/orb/ov.htm e clique em Download
Orbital Viewer. Em seu computador irá ser instalado um programa que irá gerar
orbitais atômicos seguindo tecnicamente um algoritmo baseado na equação de
Schroedinger. Para selecionar no orbital que você deseja gerar com o programa,
clique no programa na função de onda símbolo  representa uma função de
onda e no programa abre-se uma janela com os três números quânticos gerados
pela equação de Schroedinger para um sistema de coordenadas polares). Então
selecione os seguintes números quânticos principais, desenhe a forma do orbital
obtido.
n=3 l=2 m=2
o programa irá gerar os pontos, onde cada ponto
representa uma probabilidade. Este processo levará algum tempo até ser
concluído, pois os orbitais são gerados matematicamente em seu
computador. No final você terá uma representação gráfica das regiões
mais prováveis de encontrar os estados de energia quânticos de um
elétrons ou seja, você terá uma janela de observação para interagir com
prováveis órbitas eletrônicas.
Repita para as seguintes series de números quânticos
n=4 l=3 m=0
n=8 l=0 m=0
Apesar do mérito técnico do procedimento da geração matemática dos
orbitais, as suas formas resultantes lembram expressões artísticas, algumas
delas muito interessantes.
3.
DIAMAGNETISMO
Abaixo, você irá fazer três experimentos com eletromagnetismo. Cada um deles
irá lhe dar informações sobre interessantes efeitos eletromagnéticos. Você
também será encorajado a tentar correlacionar esses fenômenos com o
diamagnetismo. Qual desses experimentos mais se correlaciona com o mesmo
fenômeno que causa o diamagnetismo? Porque?
1. Para o entendimento do diamagnetismo, que é conseqüência do movimento
orbital dos elétrons ao redor do núcleo, o experimento de indução eletromagnética
pode dar uma idéia de como um campo induzido é gerado. Visite o site
http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/faraday/index.html
e racionalize, explicando como o campo magnético induzido faz a agulha da
bússola girar, e porque esta volta à posição inicial, mesmo que a corrente
permaneça ligada.
A experiência seguinte é mais ilustrativa ainda, pois nos dá uma idéia de como
um campo magnético interage com uma espiral. Considere um elétron em órbita
sendo uma espiral de uma única espira (volta). Racionalize o experimento do
campo magnético induzido de Faraday e compare o observado com o que ocorre
com o elétrons orbitando o núcleo quando é perturbado por um campo magnético
externo. Verifique então se é possível explicar o diamagnetismo estabelecendo
um paralelo entre esse experimento e o movimento orbital do elétron. No
experimento você deverá empurrar o magneto para dentro da espiral. Leia o texto
e transcreva as principais definições encontradas e comente-as.
http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/faraday2/index.html
O mesmo experimento será feito agora movendo o magneto para dentro de uma
espiral única, semelhante a causada pelo elétrons orbital.
http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/lenzlaw/index.html
3. Por fim, um experimento de uma única espiral. Ao ligar o interruptor você verá a
espiral única se mover. Compare esse fenômeno com a pequena elevação sentida
por uma amostra diamagnética na balança magnética estabelecendo um paralelo
entre os dois. Visite o site com a demonstração das linhas de campo magnético e
as forças de Lorentz e estabeleça a correlação entre esse experimento e a
experiência com o diamagnetismo. Tente explicar então o diamagnetismo
estabelecendo paralelo entre esse experimento e o movimento orbital do elétron.
http://www.walter-fendt.de/ph11e/lorentzforce.htm