apostila: pesquisa e práticas pedagógicas em laboratório no ensino de física 3 by marianna schmidt

Pesquisa e Práticas Pedagógicas em laboratório no ensino de física 3

eletricidade magnetismo óptica Carlos Augusto Cardoso Passos Marcos Tadeu D’Azeredo Orlando

Universidade Aberta do Brasil Universidade Federal do Espírito Santo

Curso Física 1

Licenciatura Licenciatura

Carlos Augusto Cardoso Passos Possui graduação em Física pela Universidade Federal do Espírito Santo (1998), mestrado em Física pela Universidade Federal do Espírito Santo (2001) e doutorado em Física pela Universidade Ferderal do Espírito Santo (2007). Também fez no posdoutorado pela Universidade Federal Fluminense (2008). Tem experiência na área de Física, com ênfase em Supercondutividade, atuando principalmente nos seguintes temas: high-Tc, cerâmica Hg,Re-1223, resistividade elétrica, flutuaçoes térmicas, corrente crítica, pressão externa e hidrostática, difração de raios X, abosorção de raios x e energia solar.

U N IVERS IDADE FE D ERAL DO E SPÍRI TO SANTO Núcleo de Educação Aberta e a Distância

Pesquisa e Práticas eletricidade Pedagógicas em laboratório magnetismo no ensino de física 3 óptica

Carlos Augusto Cardoso Passos Marcos Tadeu D’Azeredo Orlando

Vitória 2012

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO Presidente da República Dilma Rousseff

Reitor Reinaldo Centoducatte

Diretor do Centro de Ciências Exatas Armando Biondo Filho

Ministro da Educação Aloizio Mercadante

Pró-Reitor de Graduação Maria Auxiliadora de Carvalho Corassa

Coordenador do curso de Física – EaD Marcos Tadeu D’Azeredo Orlando

Diretor de Educação a Distância DED/CAPES/MEC

Diretor Geral do Núcleo de Educação Aberta e a Distância – ne@ad Reinaldo Centoducatte

Revisor de Conteúdo Carlos Augusto Cardoso Passos

João Carlos Teatini de Souza Climaco

Coordenadora UAB da Ufes Maria José Campos Rodrigues Diretora-Administrativa do Ne@ad Maria José Campos Rodrigues Diretor-Pedagógico do Ne@ad Júlio Francelino Ferreira Filho

Design Gráfico LDI - Laboratório de Design Instrucional Ne@ad Av. Fernando Ferrari, 514 CEP 29075-910, Goiabeiras Vitória - ES (27) 4009 2208

Dados Internacionais de Catalogação-na-publicação (CIP) (Biblioteca Central da Universidade Federal do Espírito Santo, ES, Brasil)

P289p

Passos, Carlos Augusto Cardoso, 1974Pesquisa e prática pedagógica laboratório ensino física,3 : eletricidade, magnetismo, óptica / Carlos Augusto Cardoso Passos, Marcos Tadeu D’Azeredo Orlando. - Vitória : UFES, Núcleo de Educação Aberta e a Distância, 2012. 67 p. : il. Inclui bibliografia. ISBN: 1. Física. 2. Eletricidade. 3. Magnetismo. 4. Óptica. I. Orlando, Marcos Tadeu D’Azeredo. II.Título. CDU: 53

Laboratório de Design Instrucional Coordenação Heliana Pacheco José Otavio Lobo Name Ricardo Esteves

Gerência Samira Bolonha Gomes

Ilustração Alex Furtado

Editoração e Capa Marianna Schmidt

Impressão Gráfica e Editora GSA

Copyright © 2012. Todos os direitos desta edição estão reservados ao ne@ad. Nenhuma parte deste material poderá ser reproduzida, transmitida e gravada, por qualquer meio eletrônico, por fotocópia e outros, sem a prévia autorização, por escrito, da Coordenação Acadêmica do Curso de Graduação em Física, na modalidade a distância. A reprodução de imagens de obras em (nesta) obra tem o caráter pedagógico e cientifico, amparado pelos limites do direito de autor no art. 46 da Lei no 9610/1998, entre elas as previstas no inciso III (a citação em livros, jornais, revistas ou qualquer outro meio de comunicação, de passagens de qualquer obra, para fins de estudo, crítica ou polêmica, na medida justificada para o fim a atingir, indicando-se o nome do autor e a origem da obra), sendo toda reprodução realizada com amparo legal do regime geral de direito de autor no Brasil.

sumรกrio

6 APRESENTAÇÃO 8 1 eLETRoestática 9 cARGAS ELÉTRICAS 14 2 ELETRODINÂMICA

15 CIRCUITO ELÉTRICO 1 CIRCUITO 21 ELÉTRICO 2 27 POTENCIAL ELÉTRICO 30 capacitores resistência 33 elétrica

40 3 magnetismo

41 motor elétrico experiência 45 de oesterd

50 4 óptica

espelho 51 plano espelho 55 esférico reflexão 59 da luz reflexão 62 total interna

apresentação Este livro foi criado com base em 04 anos de aulas ministradas para o curso de Instrumentação para o Ensino de Física do Departamento de Física da Universidade Federal do Espírito Santo. O curso de Instrumentação para o Ensino de Física baseiase na proposta de escolha de paradigmas antes de sua execução. Inicialmente são propostos três paradigmas, a saber: 1. Física do Cotidiano. 2. Física do Baixo Custo. 3. Física Tecnológica. No primeiro paradigma relaciona a opção de se apresentar a Física sempre ligada aos acontecimentos e tarefas do cotidiano do ser humano. No segundo paradigma a diretriz deve ser sempre de expor a Física utilizando materiais e componentes de baixo custo, indiferente ao cotidiano ou a tecnologia. No terceiro paradigma procura-se atentar aos aspectos relevantes da Física nas evoluções Tecnológicas da sociedade moderna. Os paradigmas podem ser combinados para formar o perfil desejado ao curso, desde que sigam a proposta desenhada pelo Departamento de Física no que tange ao conteúdo programático.

Durante esses quatro anos ficaram claros a opção dos estudantes pelo paradigma da Física de Baixo Custo. Neste paradigma, apresenta-se a Física através de experimentos que podem ser realizados a um custo de até R$ 10,00 ou algo em torno de US$ 4.00. Este livro é uma compilação dessa experiência. O livro foi montado com os melhores relatórios entregues pelos alunos. Esses relatórios foram corrigidos e compilados. Cada relatório é composto por duas partes: 1. Plano de Aula. 2. Roteiro da Aula. O Plano de Aula visa a ser um instrumento de orientação a outro colega professor que por alguma eventualidade tenha que substituir o professor proponente da aula. O Roteiro da Aula apresenta-se como material didático que deve ser fornecido aos alunos de modo a orientá-los a executarem o experimento durante a aula. O Objetivo maior da proposta deste livro foi a de construir um material pedagógico para auxílio de professores que atuem no Ensino de Física das Escolas Públicas do Espírito Santo. Prof. Dr. Marcos Tadeu D’Azeredo Orlando Departamento de Física - UFES 7

1 eletroestática cargas elétricas

cargas elétricas plano de aula Objetivo Geral Mostrar os efeitos do campo eletrostático a partir da eletrização por atrito. Assim, verificar a atração e repulsão das cargas elétricas.

Discussão Neste experimento vivencia-se o conceito de acumulação de carga elétrica através do atrito. Usa-se a ideia de que se nós esfregarmos pedaços de papel higiênico em um canudo de refrigerante, logo após o atrito percebe-se que ao aproximar pedaços de papel do mesmo ocorre uma atração entre os pedaços de papel e o canudo de refrigerante. Por outro lado, se atritarmos dois canudos de refrigerante separadamente em um pedaço de papel, quando aproximamos um canudo do outro eles se repelem. Com essa proposição pode-se usar esses experimentos para explicar a natureza da carga elétrica positiva e negativa. A proposta é mostrar de modo simplificado que os corpos adquirem cargas elétricas diferentes. Todos os corpos são formados por átomos, os quais são constituídos de partículas elementares, sendo as principais: elétrons, prótons e nêutrons. Os prótons e os nêutrons estão localizados na parte central do átomo chamado núcleo, os elétrons estão se movendo ao redor deste núcleo, numa região chamada eletrosfera. Utilizando o atrito promove-se a retirada da cobertura eletrônica dos átomos presentes na superfície dos materiais proporcionando a eletrização por atrito.

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Temos três tipos de eletrização: contato, atrito e indução: • Contato - quando colocamos um corpo carregado em contato durante um intervalo de tempo, com outro corpo inicialmente neutro, após separarmos os corpos, ambos estarão carregados com o mesmo sinal. • Atrito – ao atritarmos dois materiais como por exemplo uma flanela e um bastão de PVC, o bastão ficará com carga elétrica proveniente da troca ocorrida entre a flanela de o bastão. • Indução – para podermos eletrizar um corpo por indução é necessário apenas aproximar um objeto carregado de outro neutro, quando isto ocorre teremos a formação de pólos. Para constatar se um corpo encontra-se eletrizado, podemos utilizar um eletroscópio. Um eletroscópio muito simples é constituído por um pequeno corpo leve, suspenso na extremidade de um fio. Este eletroscópio costuma ser denominado de pendulo elétrico. Aproximando-se do eletroscópio um corpo eletrizado, quer este corpo esteja carregado positivamente ou negativamente ele atrairá a bolinha suspensa. Portanto, o ato da bolinha ser atraída pelo corpo, informa que este corpo está eletrizado, embora não se possa determinar qual é o sinal de sua carga elétrica. A proposta pedagógica científica é proporcionar uma visualização clara ao estudante da existência de cargas elétricas de sinais contrários.

10 | Eletroestática

roteiro de aula experiência 1 | atração e repulsão de cargas elétricas

Material Utilizado • Linha de costura ou um pedaço de barbante fino; • Dois canudos de refresco; • Tesoura; • 15 palitos de picolé; • Uma cola tenaz; • Um copo plástico; • Gesso; • Dois guardanapos de papel ou uma flanela.

Procedimento 1. Construa uma forca de acordo com a figura abaixo;

Palitos de Picolé

Canudos Gesso e Copo

Figura 1.1

2. Corte aproximadamente 10 cm do canudo. Amarre-o pelo meio com linha ou barbante fino e prenda-o no su-

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porte. É importante que o canudo não fique tacando na mesa de trabalho, nem no suporte; 3. Envolva com o guardanapo um dos lados do canudo que está pendurado no suporte e atrite-o bastante; 4. Agora, faça com rapidez o seguinte: afaste o guardanapo do canudo e, imediatamente volte à encosta-lo. Observe o que acontece. 5. Agora faça o seguinte: envolva o canudo com o outro guardanapo e puxe o canudo sempre na mesma direção, ou seja, provoque atrito entre o canudo e o guardanapo (ou flanela). Atrite com o outro guardanapo (ou flanela), o canudo que está pendurado no suporte. Coloque os objetos em contato físico um com o outro, os canudos depois de atritados.

questões 1) Se um canudo se afasta um do outro, qual sua hipótese para explicar o fenômeno? Os guardanapos ao se atritarem os dois canudos deixaram-no com o mesmo tipo de carga elétrica (positiva). Assim, ao se aproximarem, ocourre a repulsão.

2) O canudo e guardanapo se atraíram ou se afastaram um do outro? Eles se atraem, pois apresentam cargas opostas.

3) Qual a hipótese para explicar o fenômeno? O guardanapo ao atritar o canudo, retirou elétrons. Com isso o canudo ficou carregado positivamente na região onde foi atritado e o guardanapo carregado negativamente. Ao se aproximarem, guardanapo e canudo foram atraídos um elo outro.

12 | Eletroestática

bibliografia TIPLER, Paul A.; Física II, Ed. Guanabara Dois S.A., 2000. HALLIDAY, David, RESNICK, Robert Resnick; WALKER, Jearl;

Fundamentos de Fisica III, LTC 8a. edição, 2008.

NOGUEIRA, JOSÉ A.; Física IIIA Eletricidade (UAB), GM –

Gráfica e Editora, Vitória (2011).

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2 eletrodinâmica CIRCUITO ELÉTRICO 1 CIRCUITO ELÉTRICO 2 POTENCIAL ELÉTRICO CAPACITORES RESISTÊNCIA ELÉTRICA

circuito elétrico 1 plano de aula Objetivo Geral Neste experimento tem como finalidade mostrar a possibilidade de fazer associações ou arranjos de pilhas (geradores de energia elétrica) em circuitos elétricos e suas aplicações.

Discussão Pilhas são um dos vários tipos de geradores elétricos que podem fazer parte de circuitos elétricos. Por exemplo, uma associação de pilhas que resulte numa diferença de potencial (ddp) de 12 volts, tem o mesmo efeito que uma bateria de 12 volts neste mesmo circuito, embora não tenha a mesma durabilidade. O comportamento e os resultados destes geradores num circuito elétrico mudam de acordo com o tipo de associação. Os dois tipos de associações básicas são: a associação de pilhas em paralelo e a associação de pilhas em série (figura 2.1). É uma ideia comum que uma bateria de tensão constante, como uma pilha, libera para qualquer tipo de circuito a mesma corrente elétrica, ou seja, a ideia de que uma bateria libera para o circuito uma corrente apropriada que depende da necessidade de cada circuito. Quando a combinação é feita em paralelo temos que a tensão ou ddp entre os terminais dos geradores e igual à tensão de cada pilha. Mas a corrente elétrica que percorre o circuito e dividida entre os geradores, de forma que a corrente elétrica total

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e a soma das correntes que são liberadas por cada gerador. Já na associação em série, temos que a corrente entre os terminais dos geradores e igual a corrente de cada pilha. Mas a tensão sobe o circuito e a soma das tensões em cada gerador. Então não se engane, a corrente elétrica fornecida por cada pilha é diferente nos dois casos.

Associação em série i2

Cargas

2 Lâmpada

Associação em paralelo

i2 it Figura 2.1

2 -

Lâmpada

Numa associação em série, duas pilhas são conectadas de forma que o pólo positivo de uma se ligue ao pólo negativo da outra e os pólos da extremidade estão livres para se conectarem ao circuito. Nesta associação, a ddp é a soma do potencial individual de cada pilha e a corrente total ”i1” fornecida ao circuito tem valor igual as correntes que saem de cada pilha, nesta associação.

16 | Eletrodinâmica

Numa associação em paralelo, as pilhas são conectadas de forma que o pólo positivo de uma se ligue ao pólo positivo da outra e o mesmo acontece com os pólos negativos. E destes pólos saem as pontas que se ligarão ao restante do circuito. Nesta associação, a ddp resultante da associação é igual em valor da ddp individual de cada pilha. A corrente elétrica total “it” fornecida ao circuito e dividida entre as pilhas de forma que se somando a corrente que cada pilha fornece ao circuito se tem a corrente total consumida pelo circuito. Logo, estas associações possuem características distintas. Numa temos a soma de potenciais e na um potencial constante. Ou seja, se num circuito for necessário um potencial alto, associa-se pilhas em série e se num circuito for necessário um longo período de fornecimento, associa-se pilhas em paralelo. A proposta deste experimento é fazer quatro tipos de associações e analisar cada caso. Se a configuração das pilhas for associação em série, será fornecido as lâmpadas um potencial de 3 V, e como cada lâmpada é de 1,5 V seu funcionamento será pleno e a intensidade da luz emitida também. Se associação de pilhas estiver em paralelo e ligado a duas lâmpadas de 1,5 V, esta associação fornecerá metade do potencial exigido pela lâmpada e, consequentemente, metade da corrente exigida para seu funcionamento normal. Com isso, a intensidade da luz emitida será menor que na associação em série. Por outro lado, a lâmpada ficará bem mais tempo acesa.

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roteiro de aula experiência 2 | associação de pilhas

Material Utilizado • Um pedaço de fio condutor: fio elétrico para conexão. • Pilhas; serão necessários, no mínimo 2 pilhas comuns de 1,5 V cada. • Lâmpadas de 1,5 V.

Procedimento Montagem em série: 1. Ligue uma pilha de 1,5 V a uma das lâmpadas e observe o brilho que a lâmpada tem (figura 2.2a); 2. Uma duas lâmpadas de 1,5 V a uma pilha de 1,5 V, prendendo – as com fita adesiva de tal modo que o pólo negativo de uma esteja em contato com o positivo da outra, como mostra a figura 2.2b; 3. Duas pilhas de 1,5 V em série e ligue duas lâmpadas também em serie conforme a figura 2.2d. Montagem em paralelo: Duas pilhas de 1,5 V, prendendo – as com fita adesiva de tal modo que suas laterais estejam juntas e seus pólos estejam voltados para o mesmo lado, como mostra a figura 2.2c; Associe duas lâmpadas conforme a figura a seguir.

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Figura 2.2 Esquema geral de montagem

questões 1) Comparando as figuras a e b como podemos afirmar que a tensão foi reduzida a metade em cada lâmpada? Na figura uma lâmpada esta ligada diretamente na pilha que fornece tensão entre seus pólos de 1,5 V, já na figura b a tensão em cada lâmpada e de 0,75 V, com isso o brilho em cada uma delas e menor.

2) Como encontramos a potência dissipada por um resistor (a lâmpada, no nosso caso)? A Pot = U2/ R, onde U é a ddp no resistor e R é o valor da resistência do resistor.

3) Na associação em série, qual a força eletromotriz de um gerador equivalente? E na associação em paralelo? Quando associamos geradores em série a força eletromotriz equivalente é simplesmente a soma das forças eletromotriz de cada gerador (no nosso caso, pilhas).

4) Podemos associar geradores (pilhas) de diferentes ddp’s em paralelo? Explique. Não é recomendado, pois se a s ddp’s entre os terminais dos geradores forem diferentes vão se estabelecer circuitos entre os próprios geradores da associação, o que inviabiliza a associação.

Pesquisa e Prática Pedagógica no Laboratório Pesquisa e Práticas Pedagógicas em Laboratório no Ensino de Física 3 | 19

5) Quantas lâmpadas de 1,5 V podem ser ligadas em paralelo aos terminais de uma pilha de 1,5 V e acender de acordo com as suas especificações? Explique. Depende da intensidade da corrente elétrica que cada lâmpada precisa para acender e da intensidade máxima que a pilha e capaz de fornecer.

6) Quantas lâmpadas de 1,5 V podem ser associadas em série aos terminais de uma bateria de 9,0 V e acender de acordo com as suas especificações? Explique. 6 lâmpadas. Numa ligação em série de lâmpadas a ddp do circuito e dada pela somas das ddp’s das lâmpadas; então podemos associar 6 x 1,5 = 9 lâmpadas.

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circuito elétrico 2 plano de aula Objetivo Geral Obesrvar as características do circuito elétrico, onde ocorre associação de resistores em série, paralelo e misto (serie/paralelo).

Discussão Em um material condutor elétrico, as cargas elétricas podem mover-se com certa facilidade quando comparado a um material isolante elétrico. Se o material condutor elétrico é submetido a uma diferença de potencial, surge um ordenamento do movimento das cargas elétricas (elétrons de condução) que é denominada corrente elétrica.

Pilha

Figura 2.3

No entanto, os elétrons de condução ao tentarem se mover colidem com átomos do condutor e são desviados de seu caminho, ou seja, os elétrons são atrapalhados no seu movimeto. Esta dificuldade de a corrente elétrica denomina-se resistência elétrica.

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Choque com átomo do condutor

Figura 2.4

22 | Eletrodinâmica

Átomos do condutor

Elétrons de condução em movimento

roteiro de aula experiência 3 | associação de resistores – série/paralelo

Material Utilizado • Uma placa para montagem; • Um metro de fio de 2,5 mm2; • 06 parafusos de 3 a 4 cm; • 18 porcas; • 12 arruelas; • 01 trafo 110/12 V; • 04 lâmpadas e soquetes de painel de carro ; • Tomada comum.

Procedimento 1. Montar o circuito conforme mostrado no item 2, respeitando a simetria e distancia entre os pontos de fixação; 2. Os fios de ligação devem ser desencapados somente nas pontas; 3. Ao fixar os parafusos, porcas e arruelas, certifique tudo esteja bem firme para evitar falha de conexão; 4. Mantenha o circuito montado conforme o esquema de montagem (item 2) utilize o fio jump e o soquete móvel para implementar mudanças.

Caso queira desconectar alguma lâmpada, faça retirando-a do soquete.

Configurações para o circuito 1. monte o circuito a seguir e verifique o brilho das lâmpadas:

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+ _

Transf

Figura 2.5a

Coloque agora a terceira lâmpada no circuito.

+ _

Transf

Figura 2.5b

2. Mantendo a configuração anterior, conecte a lâmpada extra sobre os terminais do transformador. Transf + _ Figura 2.5c

3. Dada a configuração inicial, desconecte a lâmpada mais próxima do transformador. Transf + _ Figura 2.5d

24 | Eletrodinâmica

Conecte o fio “jump” entre os terminais de onde a lâmpada foi tirada.

Transf + _ Figura 2.5e

Conecte a lâmpada extra entre os terminais do transformador. Transf + _ Figura 2.5f

questões 1) No experimento 1, observamos que na primeira figura, os brilhos das duas lâmpadas eram iguais, já na segunda configuração não, o que explica tal fenômeno? Na primeira configuração, as duas lâmpadas estavam em serie, sendo assim, eram percorridas pela mesma corrente elétrica, por se tratarem de lâmpadas de mesma tensão, verificou-se que ambas dissipam a mesma potencia. No segundo caso, as lâmpadas não mais estão em serie. Temos agora um circuito misto, onde a lâmpada de brilho mais intenso e percorrida pela corrente total do circuito que logo em seguida se divide igualmente entre as lâmpadas em paralelo (de menor brilho). Podemos afirmar que passa em cada uma das outras. Lembrando de uma relação: P = R. i2, podemos verificar que o brilho da lâmpada, que e percorrida pela corrente total do circuito, e cerca de 4 vezes mais que o brilho de cada uma das outras.

Pesquisa e Práticas Pesquisa Pedagógicas e Prática Pedagógica em Laboratório no Laboratório no Ensino de Física 3 | 25

2) No experimento 2, verificamos que a colocação de mais uma lâmpada não produziu qualquer efeito no brilho das demais lâmpadas, o que ocorreu nesse caso? Verificamos que, como foi colocada a lâmpadas, na produziu qualquer alteração n corrente e tensão do circuito das lâmpadas já existentes e sim correntes exigida do transformador pela nova lâmpada.

3) No experimento 3, qual a característica que diferencia este circuito dos estudados anteriormente? Esse circuito e puramente paralelo, onde, se desconectarmos qualquer uma das lâmpadas, as outras permanecem funcionando perfeitamente.

4) Qual das ligações mostradas e utilizada para a conexão dos aparelhos em nossas casas e por quê? A do experimento 3, pois possibilita o funcionamento independente dos aparelhos

26 | Eletrodinâmica

potencial elétrico plano de aula Objetivo Geral Neste experimento deve-se trabalhar com o aluno a ideia de potencial elétrico, a corrente elétrica e a resistência elétrica.

Discussão A diferença de potencial elétrico nada mais e do que a diferença de energia entre pontos. Vamos recorrer à analogia entre a energia potencial gravitacional e a energia potencial elétrica. Vamos analisar o seguinte: colocando uma carga q num ponto a de um campo elétrico E, temos uma energia potencial elétrica armazenada no sistema. Se ocorrer um deslocamento espontâneo dessa carga, significa que a força elétrica realizou um trabalho, ou seja, entre dois pontos desse deslocamento houve uma variação da energia potencial elétrica. Então, definimos a diferença de potencial (ddp) entre dois pontos de um campo elétrico uniforme como sendo o trabalho realizado pela força elétrica entre dois pontos considerados por unidade de carga. Vamos fazer uma analogia utilizando um pedaço de madeira, pregos e uma(s) bolinha de gude, em que iremos variar a inclinação (a energia potencial) da nossa tábua com pregos para analisarmos como varia o potencial entre dois pontos.

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Roteiro de aula experiência 4 | diferença de potencial elétrico (ddp)

Material Utilizado • Um pedaço de madeira de de 60 cm dividida ao meio. • Pregos; representam a resistência elétrica no condutor. • Bolas de gude; representam a corrente elétrica no condutor. • Dobradiça.

Procedimento 1. Corte a madeira ao meio e prenda as duas partes com as dobradiças; 2. Na parte superior pregue os pregos, mas preferencialmente não alinhados; 3. Variando a inclinação da madeira com os pregos, solte a bolinha de gude do ponto mais alto a cada valor de altura utilizado; 4. Se quiser, anote o tempo gasto pela bolinha para percorrer do topo ate a base; 5. Utilize também não só uma bolinha por vez, mas varias.

Pregos

Esfera

Suporte

Figura 2.6

28 | Eletrodinâmica

questões 1) O que representa no nosso experimento a altura que nos variamos? A altura representa a ddp entre os pontos mais alto e mais baixo. 2) Sem altura então a bolinha de gude não se movimenta. O que isso representa para nos? Sem diferença de potencial, ddp, não há passagem de corrente elétrica.

3) Como calculamos a diferença de potencial elétrico entre dois pontos A e B? UAB = τAB/q, onde τAB é o trabalho da força elétrica entre os pontos A e B e q é a carga elétrica que se desloca de A para B.

4) Se aumentarmos a quantidade de pregos na tabua as bolinhas vão demorar mais para chegar a base? Por quê? Sim, com o aumento de pregos nos aumentamos a resistência no nosso condutor, então para chegar à base a corrente elétrica (as bolinhas) levará um tempo maior.

5) Num condutor ôhmico é valida a relação entre a ddp (U), a resistência (R) do condutor e a corrente (I) que por ele passa U=R.I. Se aumentarmos a corrente elétrica (mais bolinhas) o que acontece com a resistência para uma mesma ddp (altura)? Ela vai diminuir para que a relação linear acima U = R.I continue sendo válida.

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CAPACITORES plano de aula Objetivo Geral Mostrar experimentalmente o princípio do funcionamento de um capacitor.

Discussão Considere um condutor inicialmente neutro, sendo eletrizado. Uma questão é conhecer a capacidade que o condutor pode ter de armazenar cargas elétricas. Esta capacidade vai depender da forma (geometria) do condutor e do meio em que está inserido. Define-se como capacidade ou capacitância de um condutor eletrizado como a razão entre sua carga armazenada e a diferença

Q VAB

de potencial na qual está submetido: Quanto maior for a capacidade elétrostática, maior será a quantidade de carga elétrica armazenada no condutor em um determinado potencial elétrico.

30 | Eletrodinâmica

roteiro de aula experiência 5 | garrafa de leyden

Material Utilizado • Caixinha de plástico de filme fotográfico; • Um pedaço de papel alumínio; • Dois grampos latonados; • Palha de aço; • Canudo; • Flanela; • Fita adesiva.

Procedimento 1. Revista uma caixinha por dentro e por fora com uma faixa de papel alumino (o fundo do pote não deve ser preenchido com papel alumínio) e prenda-o com fita adesiva. Abra um dos grampos e prenda-o por uma perna a face lateral; 2. Faça um pequeno corte na tampa passando por ela o outro grampo latonado. Abra as pernas do grampo de maneira que elas estabeleçam contato com o revestimento de papel alumínio; 3. Atritar o canudo com a flanela. Depois se esfrega o canudo na cabeça do grampo interno. Repita este procedimento por várias vezes; 4. Aproxima-se a ponta do grampo externo a cabeça do grampo interno tendo o cuidado de manter o grampo externo devidamente aterrado (ligado a terra através de um fio ou depositando o sistema sob uma panela de alumínio grande).

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questões 1) O que é um capacitor? É um dispositivo que acumula (armazena) cargas elétricas

2) Por que se deve atritar o canudo? Porque por meio do atrito eletriza-se o canudo.

3) Por que se deve raspar o canudo várias vezes no grampo interno? Para que as cargas sejam transferidas da parte interna para parte externa da garrafa .

4) Por que se deve aterrar o grampo externo? Para que exista uma diferença de potencial entre os dois grampos

5) O que se verifica quando aproxima o grampo externo interno? Uma faísca e ouvirá um pequeno estalo

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resistência elétrica plano de aula Objetivo Geral O experimento tem a intenção de facilitar o entendimento da transformação de energia elétrica em outras formas bem como seu consumo em resistores elétricos.

Discussão A propriedade básica dos resistores nos circuitos elétricos é sua resistência elétrica que, nada mais é que o número de choques entre portadores e partículas do material por unidade de volume, para um dado estado de agitação térmica dessas partículas do material. Como a contagem de tais choques, no mundo microscópico, é complicado, deve-se obter esse resultado, no mundo macroscópico, por outras vias. Aqui entra o mérito de George Simon Ohm; ele verificou que, mantendo-se a temperatura (T) do material constante (para garantir a invariabilidade do estado de variação térmica das partículas do material), a resistência elétrica (R) imposta pelo material em questão podia ser obtida pelo quociente entre a ddp aplicada (U) entre seus terminais, e a intensidade de corrente (I) que circula pelo material.

1 constante = cons tan te 2

à T constante.

Pesquisa e Práticas Pedagógicas em Laboratório no Ensino de Física 3 | 33

Deste modo, R é uma característica do condutor, dependente: (a) Do material de que é feito (pois isso afeta o numero de partículas do material contidas na unidade de volume); (b) De sua geometria (pois afeta o volume total de percurso), o que para fios comuns, se engloba sob forma:

R=ρ

L A’

onde ρ é a resistividade do material, L é o comprimento do fio e A a área de sua seção transversal; (c) e da sua temperatura (pois afeta o estado de vibração de suas partículas) porém, é independente da partícula ddp aplicada e independente da intensidade de corrente circulante.

34 | Eletrodinâmica

roteiro de aula experiência 6 | transformação de energia elétrica

Material Utilizado • Uma prancha de madeira (50 x 30) cm; • 100 pregos, martelo; • 50 bolinhas de vidro (gude); • 12 elásticos de dinheiro.

Procedimento 1. Pregue os pregos de forma aleatória na tabua. Utilize dois elásticos para fazer as margens conforme desenho abaixo. Pregos Elástico

Livro (apoio)

Figura 2.7

2. Libere as bolinhas na parte de cima da tabua. 3. Libere as bolinhas em quantidades generosas, e as que forem chegando embaixo retorne-as ao topo e as libere novamente. As bolinhas estarão fazendo o papel dos elétrons num condutor; o condutor sera a tabua, e os pregos serão os átomos desse condutor. Já que o aluno fará o papel de gerador. Discutir os efeitos provocados pelos pregos no movimento das bolinhas.

Pesquisa e Prática Pedagógica no Laboratório Pesquisa e Práticas Pedagógicas em Laboratório no Ensino de Física 3 | 35

Este movimento e atrasado devido aos sucessivos choques das bolinhas e os pregos. Inclinando mais ou menos a tábua; discutir isso como sendo o aumento da diferença de potencial. Mudando a posição dos elásticos podemos reduzir o diâmetro do caminho livre as bolinhas. Com isso, ao despejar a mesma quantidade de bolinhas num duto mais estreito o aluno verifica que ocorre uma dificuldade maior de manter o fluxo, ou seja, com a mesma ddp e resistência maior diminui o valos da corrente. Discutir o papel do aluno (gerador) gerando energia ao fazer retornar as bolinhas ao topo da tabua. O garoto repõe energia fazendo o papel da pilha, recolocando as bolinhas no inicio da rampa para que elas desçam novamente. Bolinhas recolocadas pelos alunos Pregos Elástico

Figura 2.8

36 | Eletrodinâmica

Bolinhas

Livro (apoio)

comentários Observe que as bolinhas descem a rampa praticamente sem ganho de velocidade alguma. Elas perdem energia potencial gravitacional e não ganham energia cinética. A energia potencial foi consumida nos choques com pregos, isto gera aquecimento. Os pregos simulam as partículas constituintes do próprio corpo do resistor, as esferinhas simulam os portadores de carga que constituem a corrente elétrica, diferença de potencial gravitacional entre patamares simula a diferença de potencial ddp entre terminais de resistores. Os choques entre bolinhas e pregos simulam as interações de campo entre portadores de carga elétrica e partículas do material condutor (átomos). Uma falha que se aponta na simulação é o som; entre os átomos de resistor reina vácuo, assim não há propagação sonora. Bolinhas batendo em pregos produzem sons. O efeito joule pode ser posto em evidência através da geração de som dos pregos devido aos choques.

“Todo condutor metálico que transporta uma corrente elétrica experimenta um aquecimento.”

QUESTÕES O experimento facilita a visualização de efeitos microscópicos num condutor bem como proporciona a interação do aluno com o sistema, melhorando o entendimento. Através desse experimento espera-se que os alunos sejam capazes de responder as seguintes perguntas:

Pesquisa e Práticas Pesquisa Pedagógicas e Prática Pedagógica em Laboratório no Laboratório no Ensino de Física 3 | 37

1) Pela demonstração observada, responda se uma resistência elétrica de menos tamanho e área de seção transversal terão maior ou menor valor? como a resistência depende do material, do comprimento e da área, dá – se a entender que quanto menor for o seu tamanho e área, maior será este valor.

2) Onde podem ser usadas as resistências? como possuem o efeito de dissipar calor, pode ser usado em equipamentos que necessitem de aquecimento como chuveiro, ferro de passar, etc.

38 | Eletrodinâmica

bibliografia

HALLIDAY, David, RESNICK, Robert Resnick; WALKER, Jearl;

Fundamentos de Fisica III, LTC 8a edição, 2008.

NOGUEIRA, JOSÉ A.; Física IIIA Eletricidade (UAB), GM –

Gráfica e Editora, Vitória (2011).

Garrafa de Leyden. Disponível em <http://www.coe.ufrj. br/~acmq/leydenpt.html>. Acesso em: 28 Nov. 2011. _______________. Disponível em <http://www.novafisica.net/ experm/ativ-3-4.htm>. Acesso em: 28 Nov. 2011.

Pesquisa e Práticas Pedagógicas em Laboratório no Ensino de Física 3 | 39

3 MAGNETISMO MOTOR ELÉTRICO EXPERIÊNCIA DE OESTERD

motor elétrico plano de aula Objetivo Geral Explorar o efeito magnético em fios conduzindo eletricidade, estudar a conversão de energia elétrica em mecânica e analisar o funcionamento básico dos motores elétricos de modo progressivo. Discussão Os motores elétricos são máquinas que transformam energia elétrica em energia mecânica. O funcionamento de um motor elétrico é baseado nos princípios do eletromagnetismo. Um condutor elétrico é imerso em uma região onde há campo mangético de tal forma que surge corrente elétrica que está sujeita à força magnética que causa um torque ao condutor.

F F i

Fios que ligam o motor a um gerador

Anel Escova (carvão)

Figura 3.1

Pesquisa e Práticas Pedagógicas em Laboratório no Ensino de Física 3 | 41

roteiro de aula experiência 7 | motor elétrico

Material Utilizado Esse modelo de motor elétrico, com estator de imã permanente e rotor de bobina requerm o seguinte material para sua construção: • 1 pilha grande; • 1 imã permanente; • Fio de cobre esmaltado; • Base de um material a sua escolha, se possível não condutor. • Fita isolante

Procedimento 1. Fixe a pilha grande numa das extremidades da base desejada; 2. Fixe o imã (estator) mais ao centro da base, não importando agora a polaridade do mesmo; 3. Os mancais para a bobina (dois deles) devem ser feitos com o fio de cobre rígido n° 16, com as extremidades raspadas (para retirar o verniz isolante). Use do alicate para enrolar uma das extremidades de cada um desses fios sobre um prego fino. 4. Ligue com um fio de cobre (se possível mais fino) os mancais aos terminais (+) e (-) da pilha, ou se preferir una-os diretamente; 5. Faça a bobina (rotor), inicialmente com uma só espira, e outra com varias espiras. Uma só espira torna o motor mais didático e facilita as explicações de seu funcionamento. Em ambos os casos a bobina devera ter uma da

42 | Magnetismo

s extremidades totalmente raspada (para retirar o verniz isolante) e a outra apenas semiraspada (só metade do fio).

O esquema geral da montagem

Mancal

Bobina

Imã

Pilha

Base

Figura 3.2

questões 1) Um fio conduzindo eletricidade produz campo magnético? Sim, um fio conduzindo eletricidade produz campo magnético. 2) Como fazemos para descobrir a direção e o sentido deste campo magnético neste fio? Determinamos o sentido da corrente elétrica que passa pelo fio, a direção e sentido são determinados através da regra da mão direita. 3) E possível descobrir a polaridade do imã? Sim, devido à regra da mão direita, podemos determinar a polaridade do fluxo magnético da espira. Se por exemplo, foi determinada a polaridade do norte magnético da espira apontando para base do experimento, o pólo norte do imã também estará com a mesma configuração.

Pesquisa e Práticas Pedagógicas em Laboratório no Ensino de Física 3 | 43 Pesquisa e Prática Pedagógica no Laboratório

4) Por que a bobina ou espira gira apenas com a presença do imã? Porque como vimos, ao passar corrente elétrica em um fio condutor há surgimento de um campo magnético. O formato da espira cria uma concentração do fluxo magnético, que tentara se alinhar com o fluxo magnético produzido pelo imã devido a uma força magnética. Quando o suporte raspado (sem esmalte) da espira esta em contato com o mancal, a corrente circula fazendo surgir esta força magnética que gera uma torção. Ao ocorrer isto, a espira girará e o suporte ainda esmaltado, estando em contato com o mancal, corta assim o fluxo de corrente elétrica. A espira por já ter uma pequena velocidade de rotação, continuara girando por inércia ate que o suporte raspado e o mancal entre novamente em contato, repetindo o processo. Com isso a espira girara. 5) A espira giraria se por acaso trocássemos o imã por uma bobina, conduzindo corrente elétrica, fazendo a mesma função do estator? Sim, isto, por sabermos que o fluxo magnético de uma bobina conduzindo eletricidade assemelha-se com o fluxo magnético do imã.

44 | Magnetismo

experiência de oesterd plano de aula Objetivo Geral Relacionar verbalmente corrente elétrica com campo magnético; visualizar que uma corrente elétrica gera um campo magnético, através do deslocamento de uma agulha imantada colocada num copo com água. Discussão H. Oesterd notou em uma experiência que uma corrente elétrica transportada por um condutor elétrico era capaz de desviar uma agulha imantada colocada na sua vizinhança. Ou seja, o movimento ordenado de cargas elétricas (corrente elétrica) gera um campo magnético cuja intensidade diminui com a distância. Para um fio condutor retilíneo que passa uma corrente elétrica, o campo magnético produzido é dado por

µoi r´

onde μo é permeabilidade do vácuo, r é a distância radial em relação ao condutor elétrico. Interruptor

condutor

Agulha Magnética

Figura 3.3

Pesquisa e Práticas Pedagógicas em Laboratório no Ensino de Física 3 | 45

roteiro de aula experiência 8 | experiência de oesterd

Material Utilizado • Pilha; • 15 cm de fio vernizado; • 1 agulha; • Pedaço de imã; • Copo com água.

Procedimento 1. Montar o experimento conforme a figura a seguir: Pilha 1

Pilha 2 Agulha Imantada

Figura 3.4

2. Colocar a agulha imantada dentro do copo com água; anotar o que aconteceu; 3. Aproximar um imã da agulha magnética. Anotar o que aconteceu; 4. Trocar um imã por uma pilha. Depois coloque outra pilha conforme figura acima. Anotar o que aconteceu.

46 | Magnetismo

questões 1) Qual é a orientação da agulha magnética logo que é colocada na água? A agulha fica direcionada para o norte magnético terrestre. 2) Porque há movimentação da agulha imantada quando aproximamos um imã? Acontece o mesmo quando aproximamos o conjunto pilha mais fio? Por quê? O imã gera um campo magnético, dando um vetor resultante (imã artificial + imã natural – terra), dando assim o movimento da agulha magnética. E quando colocamos o conjunto pilha mais fio acontece o mesmo, porque a corrente elétrica cria um campo magnético. 3) Se usarmos apenas uma pilha, termos o mesmo movimento da agulha magnetizada? Como a corrente elétrica é menor, terá um campo magnético também menor e consequentemente haverá um menor movimento da agulha magnética. 4) Porque usando o imã o movimento da agulha imantada é maior do que o conjunto pilha mais fio? O campo magnético do imã e maior que a do conjunto pilha mais fio.

Pesquisa e Práticas Pesquisa Pedagógicas e Prática Pedagógica em Laboratório no Laboratório no Ensino de Física 3 | 47

bibliografia

HALLIDAY, David, RESNICK, Robert Resnick; WALKER, Jearl;

Fundamentos de Fisica III, LTC 8a edição, 2008.

RIBEIRO, Rosilene de Sá; Física IIIB Eletricidade (UAB), GM –

48 | Magnetismo

Gráfica e Editora, Vitória (2011).

4 ÓPTICA ESPELHO PLANO ESPELHO ESFÉRICO REFLEXÃO DA LUZ REFLEXÃO TOTAL INTERNA

espelho plano plano de aula Objetivo Geral Determinar algumas características da imagem virtual fornecida por um espelho plano. Discussão Os espelhos planos apresemtam uma quantidade grande para aplicações desde uso doméstico à utilização em microscópio avançados. O que torna os espelhos tão úteis são suas propriedades de simetria entre o objeto e sua imagem. Para um espelho plano ideal sua reflexão é regular.

r Figura 4.1

Espelho Plano

Propriedades • A imagem se forma por de trás do espelho (imagem virtual); • A distância do objeto ao espelho é igual à distância da imagem ao espelho (simetria);

Pesquisa e Práticas Pedagógicas em Laboratório no Ensino de Física 3 | 51

• A imagem é reversa ao objeto: direita para esquerda ou vice-versa, mas não de baixo para cima.

Um espelho produz uma única imagem de cada objeto. Se for unido dois espelho que forma um ângulo α entre eles, surge duas ou mais imagens conforme o ângulo α diminui. Assim podemos escrever que o número de imagens é dado por Ângulo

52 | Óptica

360° -1 α

roteiro de aula experiência 9 | imagem virtual

Material Utilizado • Duas velas de tamanhos iguais; • Uma placa de vidro semitransparente; • Fósforo ou isqueiro; • Apoio para a placa de vidro (pode ser de isopor).

Montagem Coloque os espelhos na vertical no centro do transferidor, conforme desenho abaixo. Espelhos

Transferidor

Figura 4.2

Procedimento 1. Coloca-se uma vela em frente à placa de vidro que funciona como um espelho plano, dando origem a uma imagem desta vela (situada atrás da placa). 2. Peça a uma outra pessoa que coloque a outra vela, apagada, na região atrás da placa. 3. Oriente a pessoa de modo que ele consiga colocar a

Pesquisa e Práticas Pedagógicas em Laboratório no Ensino de Física 3 | 53 Pesquisa e Prática Pedagógica no Laboratório

vela apagada coincidindo com a imagem da vela acesa (nesta posição, temos a impressão de que a vela apagada esta acesa). Vidro Transparente Imagem da Vela Acesa Vela Apagada

Figura 4.3 Vela Acesa

questões 1) O que se pode dizer a respeito do tamanho da imagem do objeto? Como a vela apagada coincide exatamente com a imagem da vela acesa, podemos concluir que o tamanho da imagem e igual ao tamanho do objeto. 2) Com base no experimento, diga como podemos medir a distância da imagem de um objeto ao espelho plano? Na experiência podemos verificar que a distância do objeto (vela acesa) ao espelho e igual a distancia de sua imagem (vela apagada) ao espelho.

54 | Óptica

espelho esférico plano de aula Objetivo Geral Localizar o foco de um espelho côncavo; determinar o raio de curvatura. Discussão Um espelho esférico é constituído por uma superfície lisa e polida com geometria esférica. Se a parte interna for a refletora, então o espelho é côncavo. Por outro lado, se a parte externa for refletora, define-se como espelho convexo.

Espelho Côncavo

Espelho Convexo

Figura 4.4

As características dos espelhos esféricos dependem da posição do objeto na frente do espelho. A imagem pode ser real ou virtual.

Pesquisa e Práticas Pedagógicas em Laboratório no Ensino de Física 3 | 55

Roteiro de aula experiência 10 | espelho esférico

Material Utilizado • Garrafa de refrigerante tipo pet; • Papel alumínio – cerca de 7 cm x 3 cm; • Caneta (apontador) laser.

Procedimento 1. Com uma tesoura cortamos uma fração da garrafa pet equivalente a um anel de cerca de 4cm de largura; 2. Corta-se novamente, agora aproveitando a metade desse anel; 3. A seguir, colocamos o papel alumínio na parte interna do semi- anel de plástico com cola comum; 4. Temos então, uma aproximação de uma secção de um espelho côncavo. Pondo-a sobre um caderno, fazemos o feixe laser atingir a face interna refletora, preferencialmente na sua parte mais inferior, isto é, rente a folha do caderno, para que seja possível destacar os raios refletidos pela face ao mudarmos a posição do laser, mantendo-o sempre paralelo ao centro de curvatura do espelho; 5. A distância que vai desde o ponto de interseção dos raios refletidos ate o espelho é chamada distancia focal do espelho. Medindo a régua a distancia focal, determinamos implicitamente o raio de curvatura do espelho, pois ele vale o dobro da distancia focal.

56 | Óptica

comentários Dado o fato de que a superfície da garrafa pet não é uma esfera propriamente, devemos considerar, para aproximação de resultados, apenas uma pequena parte da superfície refletora, para também não violar as condições de Gauss. Portanto, ao mover a luz laser, façamos de modo comedido e que se mantenha paralela ao eixo principal do espelho.

questões 1) Quais as características das imagens formadas pelos espelhos côncavos? As características são: objeto entre o foco e o vértice. Imagem virtual, maior que o objeto sem estar de cabeça para baixo. Objeto entre o foco e o centro de curvatura: imagem real, maior que o objeto, de cabeça para baixo. Objeto sobre o centro de curvatura: imagem real, do mesmo tamanho do objeto, de cabeça para baixo. Objeto a uma distancia maior do que o raio: imagem real, menor que o objeto e invertida. 2) O que são imagens reais? E virtuais? Imagens reais são aquelas formadas pelo cruzamento dos raios refletidos no espelho. Elas realmente aparecem sobre uma superfície. Já as imagens virtuais são formadas pelo cruzamento dos raios refletidos prolongados. Estas imagens aparecem atrás do espelho.

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3) As leis da reflexão ainda são válidas? Sim. As leis de reflexão ainda permanecem validas, devendo-se tomar o cuidado de ajustar as tomadas de medidas, vistas as dimensões dos espelhos esféricos. 4) O que significa o princípio da inversão do raio luminoso? Quer dizer que se um raio luminoso percorrer uma dada trajetória, outro raio luminoso que incida em sentido contrário percorrerá a mesma trajetória em sentido contrário.

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reflexão da luz plano de aula Discussão A velocidade de propagação de uma onda depende das propriedades do meio através do qual a onda se propraga. No caso da luz, a sua velocidade de propragação depende da permissividade e da permeabilidade da substância (meio) através da qual a luz se propaga. O fenômeno da reflexão é uma consequência da dependência da velocidade da onda luminosa em relação às propriedades do meio. Quando a luz atinge uma superfície plana que separa de dois meios diferentes, ela sofre uma reflexão, ou seja, parte da luz retornar ao meio no qual já estava se propagando. Resumidadmente, se um raio de luz atinge uma superfície suficientemente lisa e plana, como ilustrado na figura a seguir: N i

r Figura 4.5

assim, pode-se afirmar que 1ª Lei da Reflexão: O raio de luz refletido e a reta normal à superfície pelo ponto de incidência da luz são complementares. 2ª Lei da Reflexão: O ângulo de incidência e o ângulo de reflexão possuem mesma medida.

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Roteiro de aula experiência 11 | reflexão em superfície plana

Material Utilizado • Madeira; • Espelho plano; • Cola; • Laser.

Procedimento 1. Usando o laser, e possível comprovar as duas leis da reflexão que correm no espelho plano. A primeira lei diz que o raio de incidente e o refletido estão no mesmo plano que a normal pode facilmente se provada incidindo o laser sobre a face do espelho, e comprovar com o auxilio de uma folha de papel que o raio refletido esta no mesmo meio que o incidente. 2. A segunda lei enuncia que o ângulo de reflexão e igual ao de incidência, colocando um transferidor encapado com uma folha branca em uma das faces perpendicular ao espelho e incidindo o laser sobre o plano do transferidor, e possível calcular o ângulo de incidência e reflexão.

Figura 4.6 Esquema de montagem de um periscopio

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questões 1) Quando você olha no espelho e vê alguém, essa pessoa olhando para o espelho vai ver você? Explique. Sim, a pessoa que olha irá ver pelo motivo dos raios luminosos percorrerem o mesmo caminho. 2) Uma superfície irregular produz reflexão difusa, uma superfície polida produz reflexão regular. Para se ter um bom espelho, e necessário ter unicamente uma superfície polida? Não, pois para se ter um bom espelho deve-se ter um material que seja bom refletor de raios luminosos e com baixo índice de absorção.

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reflexão total interna plano de aula Objetivo Geral Mostrar o comportamento da luz quando a mesma percorre meios cujos índices de refração são diferentes para explicar o funcionamento da fibra óptica.

Discussão Como já se sabe a velocidade de propragação luz depende da permissividade e da permeabilidade da substância (meio). O fenômeno da refração também é uma consequência da dependência da velocidade da onda luminosa em relação às propriedades do meio. Então, se um raio de luz progragando-se em meio 1 incide sobre uma superfície plana (interface) e transperante que separa de um meio 2, o raio de luz desvia sua trajetória como está mostrado na figura a seguir:

Meio 1 Meio 2 Figura 4.7

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A lei de Snell é dada pela relação a seguir

n1 sin θ1 = n2 sin θ2 Se n1>n2, segue que para um determinado ângulo de incidência θ2 = θc ’θ2 = 90° . Portanto,

sin θc =

n2 n1 ’

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roteiro de aula experiência 12 | fibra óptica

Material Utilizado • Garrafa de refrigerante pet; • Cartolina ou papel cartão preto; • 1 espelho pequeno; • 1 caneta (apontador) laser; • Água; • 1 tubo de caneta bic; • Um pouco de leite em pó (para turvar a água); • Cola para vedação.

Procedimento 1. Corte a garrafa pet um pouco acima da metade. Encape-a com a cartolina preta. Em seguida, fure a garra bem perto do fundo (do diâmetro do tubo de caneta). 2. Corte o tubo de caneta pela metade e fixe o mesmo na garrafa de modo que fique cerca de dois centímetros deste para dentro do pet. 3. Faça a vedação necessária e posicione o espelho dentro da garrafa de maneira que se possa ver o interior do tubo de caneta. Com isso, obteremos um aparato com o aspecto da figura 4.8. 4. Para se mostrar o princípio de funcionamento da fibra óptica, deve-se tampar o tubo de caneta com o dedo e encher a garrafa com uma mistura de água e um pouco de leite em pó (água se torna turva). 5. Incida o laser sobre o espelho (no local onde se encon-

64 | Óptica

tra a imagem do interior do tubo de caneta). 6. Destampe o tubo de caneta e observe que o raio de luz “fica preso” no interior da lamina (do esguicho) de água da mesma forma como ocorre com a fibra óptica. Laser

Água

Espelho

Figura 4.8

questões 1) A que se deve o fato da luz “ficar presa” no interior da lamina (do esguicho) de água? O fato de a luz ficar presa no interior da lamina (do esguicho) de água pode ser explicado graças à reflexão total. Esse fenômeno está diretamente ligado ao fato da luza estar incidindo num meio cujo índice de refração e menor (ar) do que o índice de refração do meio de onde ela esta partindo (água). Para que ocorra realmente a reflexão total, além disso, o ângulo de incidência da luz deve ser maior do que o chamado ângulo crítico.

O ângulo crítico definido como sendo o ângulo máximo para que haja o fenômeno de refração. Caso a luz incida com um angulo de incidência superior ao ângulo crítico, notaremos que o meio de separação se comportara como um espelho refletindo totalmente o raio de luz (reflexão total).

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2) O que se esperaria que acontecesse se o ângulo de incidência da luz sobre o esguicho fosse menor que esse tal ângulo critico? Caso isso acontecesse, notaríamos um outro fenômeno chamado de refração, que se caracteriza pela mudança de velocidade da luz quando essa percorre meios diferentes. Neste caso, a luz não ficará aprisionada na lamina de água, mas passará para o ar sofrendo um desvio de sua trajetória devido à mudança de velocidade.

66 | Óptica

bibliografia

HALLIDAY, David, RESNICK, Robert Resnick; WALKER, Jearl;

Fundamentos de Fisica IV, LTC 8a edição, 2008.

NOGUEIRA, JOSÉ A.; Física IVA Eletricidade (UAB), GM –

Gráfica e Editora, Vitória (2011).

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Marcos Tadeu Dazeredo Orlando É professor da Universidade Federal do Espírito Santo desde 1993, pesquisador em Física Teórica e Experimental com trabalhos concentrados em Teorias de Campos aplicadas à Matéria Condensada, Biofísica e Estrutura de Líquidos e Sólidos, Doutor em Física pelo Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas. Atualmente trabalha no Grupo de Física Aplicada do Departamento de Física da UFES.