DISCUSSING LIGHT DIFFRACTION THROUGH EXPERIMENTS IN POSTGRADUATE COURSES: AN EXPERIENTIAL REPORT
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.10955940
T.T. Camacho1
B.O, Amorim2
J.T, Cardoso3
E.G.C, Palomino4
N.R. Gomez4
Resumo
A atividade experimental é considerada um recurso didático importante, onde o aluno é visto como protagonista do ensino. Por meio do estudo do fenômeno da interferência é possível determinar, entre muitas coisas, o comprimento de onda da luz e o índice de refração de um dado material. Nesta perspectiva, este trabalho teve como objetivo relatar a experiência da aula prática acerca da construção de experimentos para o estudo de conceitos relacionados à difração da luz oferecida pela disciplina de caracterização 1 do programa de pós-graduação em ciências dos materiais da Universidade Federal do Vale do São Francisco (UNIVASF). De acordo com o presente relato conclui-se que a realização das práticas dos experimentos realizados entre os alunos da pós-graduação em ciências dos materiais da Universidade Federal do Vale do São Francisco foi essencial para que os alunos tivessem o entendimento advindo didaticamente na teoria, de forma prática, tornando-os sujeitos ativos e comprometidos para o estudo de fenômenos físicos.
Palavras-chave: Difração de Raios X, Física, Fenômenos Físicos.
Abstract
The experimental activity is considered an important teaching resource, where the student is seen as the protagonist of the learning process. Through the study of the interference phenomenon, it is possible to determine, among many things, the wavelength of light and the refractive index of a given material. From this perspective, this work aimed to report the practical class experience regarding the construction of experiments for studying concepts related to light diffraction offered by the Characterization 1 discipline of the postgraduate program in materials science at the Federal University of Vale do São Francisco (UNIVASF). According to this account, it is concluded that conducting the experiments among the postgraduate students in materials science at the Federal University of Vale do São Francisco was essential for the students to comprehend the theory didactically, making them active and committed individuals in the study of physical phenomena.
Keywords: X-Ray Diffraction, Physics, Physical Phenomena.
1. Introdução
Sabe-se que, embora o estudo da natureza da luz seja amplamente discutido nos livros didáticos de física, o estudo da física óptica é pouco discutido ou muitas vezes é abordado de maneira superficial(1,2). Pensar no ensino de física sem apresentar a relação entre fenômeno, experimento e teoria tende a obliterar para o aprendiz como exercer as atividades dessa ciência(3).
A luz é uma onda eletromagnética. Entretanto, mediante alguns aspectos, também pode manifestar propriedades de matéria. Essa proposta foi feita por Newton no século XVIII, através de sua teoria corpuscular. Entretanto, esses conceitos encontraram oposição na teoria ondulatória da luz, proposta por Christiaan Huygens (1629-1695), que justificava-se no princípio das frentes de onda e conseguia explicar os fenômenos luminosos da difração, interferência e polarização, algo que a teoria de Newton não houve êxito. Anos mais tarde, a teoria ondulatória prevaleceu sobre a teoria corpuscular convergindo para sua aceitação(4).
A difração é apresentada nos livros didáticos de física como um fenômeno associado à chamada óptica física, cujos efeitos ópticos são explicados utilizando-se das propriedades da natureza ondulatória da luz. Esse fenômeno é normalmente abordado tanto teoricamente quanto experimentalmente, visto que é um fenômeno que pode ser facilmente observado e replicado na prática(5).
A atividade experimental é considerada um recurso didático importante, onde o aluno é visto como protagonista do ensino, porém, para que isso ocorra, as atividades devem ser desenvolvidas inserindo o estudante como sujeito ativo, que elabora hipóteses e estratégias, desenvolve argumentos e trabalha coletivamente(6).
A formação do arco-íris, a mudança de cor nas asas de uma borboleta e em um CD são fenômenos provocados pela interferência de ondas luminosas. Por meio do estudo do fenômeno da interferência é possível determinar, entre muitas coisas, o comprimento de onda da luz e o índice de refração de um dado material(7).
Com a detecção de intensidade luminosa pode-se mensurar de forma precisa as distâncias entre os máximos e mínimos de difração em tempo real(8). Os raios luminosos são ilustrados como retas paralelas onde a frente de onda é plana. Neste regime, a luz pode ser tratada como um feixe de raios paraxiais, criando uma imagem muito forte sobre a concepção da natureza da luz(1).
As atividades experimentais podem ser utilizadas de diferentes formas, com abordagens distintas, a depender do objetivo que se tenha com sua utilização. O professor elabora a atividade experimental de acordo com sua realidade no momento, considerando diversos aspectos do ensino e aprendizagem(2).
Um dos objetivos do ensino de física é sem dúvida, alcançar uma aprendizagem efetiva e a compreensão ou reconstrução de conceitos científicos a partir de um pressuposto teórico(3). Logo, o uso de atividades experimentais como instrumento didático faz com que a postura do estudante se modifique, indo de passivo para ativo(6).
Dentre os diversos tópicos do componente curricular Física que podem ser explicados com o auxílio das experiências, o entendimento da natureza ondulatória da luz permite a compreensão do espectro eletromagnético por meio das aplicações tecnológicas. Assim, a compreensão da natureza ondulatória da luz permite o entendimento da relação entre o eletromagnetismo e a óptica(7).
O experimento para medir a espessura de um fio de cabelo é comumente realizado em disciplinas de laboratórios de física presenciais. Ele envolve o conceito de difração da luz em fendas ou obstáculos muito estreitos. O padrão de difração é, então, observado em um anteparo atrás do fio de cabelo, oposto à fonte de luz(9).
Nesta perspectiva, este trabalho teve como objetivo relatar a experiência da aula prática acerca da construção de experimentos para o estudo de conceitos relacionados à difração da luz. Esses experimentos foram uma abordagem utilizada para o oferecimento da disciplina de caracterização 1 da Grade Curricular do Programa de Pós-graduação em Ciências dos Materiais da Universidade Federal do Vale do São Francisco (UNIVASF). A proposta permite, não só a visualização do fenômeno, mas também, o cálculo do diâmetro do fio colocado como obstáculo ao feixe luminoso.
2. Relato de Experiência
Durante a aula prática, foram realizados cinco experimentos dos fenômenos de difração da luz citados no Quadro 1 abordando o experimento e os materiais que foram utilizados.
Quadro 1: Síntese dos experimentos realizados na disciplina de caracterização 1 durante o Ensino de Pós-Graduação em Ciências dos Materiais da Universidade Federal do Vale do São Francisco – UNIVASF.
| Experimento | Material Utilizado |
| I- Determinação da espessura do obstáculo/Cálculo da constante de rede de difração em comparação ao valor fornecido pelo fabricante | Laser de HeNe;Tela Protetora;Mesa Suporte;Rede de Difração. |
| II – Determinação do comprimento de onda de um laser usando difração | Laser de Diodo;Tela Protetora;Mesa Suporte;Rede de Difração. |
| III – Determinação da espessura do fio de cabelo | Laser de HeNe;Tela Protetora;Mesa Suporte;Rede de Difração. |
| IV – Determinação da espessura do fio de cobre | Laser de HeNe;Tela Protetora;Mesa Suporte;Rede de Difração. |
| V – Determinação do comprimento de onda médio dos comprimentos da luz branca | Rede de Difração;Bloqueador de Luz;Retroprojetor. |
Fonte: Autor.
2.1 Determinação da Espessura do Obstáculo
Para determinar a espessura do obstáculo, usou-se o laser He-Ne incidindo na rede de difração atingindo o anteparo. Primeiramente mediu-se a distância do laser ao anteparo (x) no valor de 37,5 cm ou 0,375 m.
Após isso, mediu-se a distância entre o máximo central e o primeiro máximo lateral (y/2) no valor de 307 mm ou 30,7 cm ou 0,307 m.
Sabe-se que o comprimento de onda (λ) do laser é 633 nm ou 633.10-9m e a constante de rede de difração do fabricante equivale a 1. 10-6m, esse primeiro experimento teve como objetivo determinar a espessura do obstáculo (D) através da seguinte equação:
Onde: – D = Espessura do Obstáculo
- m = Máximo – m=1 (1 máximo)
- λ = Comprimento de onda do laser
- x = Distância do laser ao anteparo
- y = Distância entre os centros dos primeiros máximos
Substituindo as variáveis da fórmula pelos valores medidos e fornecidos pelo experimento observa-se que:
Após o cálculo nessa equação têm-se:
D = 9993 .10-10 ou 0,9993.10-6 m ≅ 1 . 10-6 m
Assim, com esse primeiro experimento vê-se que a constante da rede de difração encontrada através da fórmula, coincide com a constante de rede de difração fornecido pelo fabricante (Cidepe). Esse experimento foi essencial para analisar a verificação da constante de rede de difração usando um laser de He-Ne com um feixe de luz de comprimento de onda conhecido. A seguir, as figuras de 1 a 4 ilustram os materiais utilizados no experimento realizado.
Figura 1: Materiais utilizados para o experimento 1
Fonte: Própria.
Figura 2: Imagem ilustrativa do laser de HeNe
Fonte: Própria.
Figura 3: Medição para encontrar o valor de x
Fonte: Própria.
Figura 4: Rede de difração fornecida pelo fabricante
Fonte: Própria.
2.2 Determinação do comprimento de onda de um laser usando difração
Para determinar o comprimento de onda de um laser usando a difração, substituiu-se o laser de HeNe pelo de diodo e usou o laser incidindo na rede de difração atingindo o anteparo. Primeiramente mediu-se a distância do laser ao anteparo (x) no valor de 35,9 cm ou 0,359 m.
Após isso, mediu-se a distância entre o máximo central e o primeiro máximo lateral (y/2) no valor de 311 mm ou 31,1 cm ou 0,311 m.
Sabe-se que a constante de rede de difração do fabricante equivale a 1. 10-6m, esse segundo experimento teve como objetivo determinar o comprimento de onda do laser através da seguinte equação:
Onde: – D = Espessura do Obstáculo
- m = Máximo – m=1 (1 máximo)
- λ = Comprimento de onda do laser
- x = Distância do laser ao anteparo
- y = Distância entre os centros dos primeiros máximos
Substituindo as variáveis da fórmula pelos valores medidos e fornecidos pelo experimento observa-se que:
Após o cálculo nessa equação têm-se:
= 0,654. 10-6m
Como 1 nanômetro (nm) equivale a 10-9 metros (m), logo:
Assim, com esse segundo experimento vê-se que o comprimento de onda do laser de diodo equivale a 654 nm. Uma das aplicações práticas do laser de diodo e seu comprimento de onda está na indústria de estética e depilação, pois ele atende de forma segura os diversos fototipos (tons de pele).
A seguir, as figuras de 5 e 6 ilustram os materiais utilizados no experimento realizado.
Figura 5: Medição para encontrar o valor de x
Fonte: Própria.
Figura 6: Laser difratado para encontrar o valor de y
Fonte: Própria.
2.3 Determinação da espessura do fio de cabelo
Para determinar a espessura do fio de cabelo, usou-se o laser He-Ne incidindo na rede de difração atingindo o anteparo. Primeiramente mediu-se a distância do laser ao anteparo (x) no valor de 67,4 cm ou 0,674 m.
Após isso, mediu-se a distância entre o máximo central e o primeiro máximo lateral (y/2) no valor de 10 mm ou 1 cm ou 0,01 m.
Sabe-se que o comprimento de onda (λ) do laser é 633 nm ou 633.10-9m e a constante de rede de difração do fabricante equivale a 1. 10-6m, esse primeiro experimento teve como objetivo determinar a espessura do fio de cabelo (D) através da seguinte equação:
Onde: – D = Espessura do Obstáculo
- m = Máximo – m=1 (1 máximo)
- λ = Comprimento de onda do laser
- x = Distância do laser ao anteparo
- y = Distância entre os centros dos primeiros máximos
Substituindo as variáveis da fórmula pelos valores medidos e fornecidos pelo experimento observa-se que:
Após o cálculo nessa equação têm-se:
Assim, com esse terceiro experimento consegue-se determinar a espessura do fio de cabelo através da fórmula, usando um laser de He-Ne com um feixe de luz de comprimento de onda conhecido. A seguir, as figuras de 7 a 10 ilustram os materiais utilizados no experimento realizado.
Figura 7: Esquema da montagem óptica para a medida da espessura de um fio de cabelo por difração de luz laser
Fonte: G.T. Nogueira, & J.A. Hernandes (2021).
Figura 8: Esquema do fio de cabelo
Fonte: Própria.
Figura 9: Montagem para a medida da espessura do fio de cabelo por difração de luz do laser HeNe
Fonte: Própria.
Figura 10: Esquema representando cada interferência difratada para a tela protetora
Fonte: Própria.
2.4 Determinação da espessura do fio de cobre
Para determinar a espessura do fio de cobre, usou-se o laser He-Ne incidindo na rede de difração atingindo o anteparo. Primeiramente mediu-se a distância do laser ao anteparo (x) no valor de 67,4 cm ou 0,674 m.
Após isso, mediu-se a distância entre o máximo central e o primeiro máximo lateral (y/2) no valor de 9,8 mm ou 0,98 cm ou 0,0098 m.
Sabe-se que o comprimento de onda (λ) do laser é 633 nm ou 633.10-9m e a constante de rede de difração do fabricante equivale a 1. 10-6m, esse primeiro experimento teve como objetivo determinar a espessura do fio de cabelo (D) através da seguinte equação:
Onde: – D = Espessura do Obstáculo
- m = Máximo – m=1 (1 máximo)
- λ = Comprimento de onda do laser
- x = Distância do laser ao anteparo
- y = Distância entre os centros dos primeiros máximos
Substituindo as variáveis da fórmula pelos valores medidos e fornecidos pelo experimento observa-se que:
Após o cálculo nessa equação têm-se:
Assim, com esse quarto experimento vê-se que a espessura do fio de cobre equivale a 42,76 μm utilizando o laser HeNe. A seguir, as figuras de 11 e 12 ilustram os materiais utilizados no experimento realizado.
Figura 11: Esquema do fio de cobre, o fio intermediário da ilustração
Fonte: Própria.
Figura 12: Esquema representando cada interferência difratada para a tela protetora
Fonte: Própria.
2.5 Determinação do comprimento de onda médio dos comprimentos da luz branca
2.5.1 Determinação do comprimento de onda da Luz Azul
Para determinar o comprimento de onda da luz azul, usa-se uma fonte de luz branca (retroprojetor) e a rede de difração do fabricante. Primeiramente colocou-se o retroprojetor a 30 cm do anteparo. Após isso, colocou-se o bloqueador de luz sobre o retroprojetor e montou a rede de difração no suporte, colocando-se em frente ao espelho da lente do retroprojetor ajustando a montagem de forma que um espectro de cores seja visto no anteparo.
Após isso, mediu-se a distância entre o anteparo e a rede de difração no valor de 34 cm ou 0,34 m.
Após isso, mediu-se a distância entre o máximo central e o primeiro máximo lateral (y/2) no valor de 18 cm ou 0,18 m.
Sabe-se que a constante de rede de difração do fabricante equivale a 1. 10-6m. Esse experimento teve como objetivo determinar o comprimento de onda (λ) da luz azul através da seguinte equação:
Onde: – D = Espessura do Obstáculo
- m = Máximo – m=1 (1 máximo)
- λ = Comprimento de onda do laser
- x = Distância do laser ao anteparo
- y = Distância entre os centros dos primeiros máximos
Substituindo as variáveis da fórmula pelos valores medidos e fornecidos pelo experimento observa-se que:
Após o cálculo nessa equação têm-se:
Logo, o comprimento de onda para a luz azul é de 467,8 nm.
2.5.2 Determinação do comprimento de onda da Luz Verde
Para determinar o comprimento de onda da luz verde, usa-se uma fonte de luz branca (retroprojetor) e a rede de difração do fabricante. Primeiramente colocou-se o retroprojetor a 30 cm do anteparo. Após isso, colocou-se o bloqueador de luz sobre o retroprojetor e montou a rede de difração no suporte, colocando-se em frente ao espelho da lente do retroprojetor ajustando a montagem de forma que um espectro de cores seja visto no anteparo.
Após isso, mediu-se a distância entre o anteparo e a rede de difração no valor de 34 cm ou 0,34 m.
Após isso, mediu-se a distância entre o máximo central e o primeiro máximo lateral (y/2) no valor de 22,5 cm ou 0,225 m .
Sabe-se que a constante de rede de difração do fabricante equivale a 1. 10-6m. Esse experimento teve como objetivo determinar o comprimento de onda (λ) da luz azul através da seguinte equação:
Onde: – D = Espessura do Obstáculo
- m = Máximo – m=1 (1 máximo)
- λ = Comprimento de onda do laser
- x = Distância do laser ao anteparo
- y = Distância entre os centros dos primeiros máximos
Substituindo as variáveis da fórmula pelos valores medidos e fornecidos pelo experimento observa-se que:
Após o cálculo nessa equação têm-se:
Logo, o comprimento de onda para a luz verde é de 552 nm.
2.5.3 Determinação do comprimento de onda da Luz Vermelha
Para determinar o comprimento de onda da luz verde, usa-se uma fonte de luz branca (retroprojetor) e a rede de difração do fabricante. Primeiramente colocou-se o retroprojetor a 30 cm do anteparo. Após isso, colocou-se o bloqueador de luz sobre o retroprojetor e montou a rede de difração no suporte, colocando-se em frente ao espelho da lente do retroprojetor ajustando a montagem de forma que um espectro de cores seja visto no anteparo.
Após isso, mediu-se a distância entre o anteparo e a rede de difração no valor de 34 cm ou 0,34 m.
Após isso, mediu-se a distância entre o máximo central e o primeiro máximo lateral (y/2) no valor de 30,7 cm ou 0,307 m .
Sabe-se que a constante de rede de difração do fabricante equivale a 1. 10-6m. Esse experimento teve como objetivo determinar o comprimento de onda (λ) da luz azul através da seguinte equação:
Onde: – D = Espessura do Obstáculo
- m = Máximo – m=1 (1 máximo)
- λ = Comprimento de onda do laser
- x = Distância do laser ao anteparo
- y = Distância entre os centros dos primeiros máximos
Substituindo as variáveis da fórmula pelos valores medidos e fornecidos pelo experimento observa-se que:
Após o cálculo nessa equação têm-se:
Logo, o comprimento de onda para a luz vermelha é de 670,3 nm.
Além disso, no centro do anteparo aparece uma faixa de luz branca por que o y depende do comprimento de onda e todos os comprimentos de onda vão ser deslocados a y=0.
A seguir, as figuras de 13 a 15 ilustram os materiais utilizados no experimento realizado.
Figura 13: Rede de difração utilizada no experimento
Fonte: Própria.
Figura 14: Retroprojetor utilizado no experimento
Fonte: Própria
Figura 15: Medição das distância entre os centros dos primeiros máximos da luz azul, verde e vermelha
Fonte: Própria
3.Considerações finais
De acordo com o presente relato conclui-se que a realização das práticas dos experimentos realizados entre os alunos da pós-graduação em ciências dos materiais da Universidade Federal do Vale do São Francisco foi essencial para que os alunos tivessem o entendimento advindo didaticamente na teoria, de forma prática, tornando-os sujeitos ativos e comprometidos para o estudo de fenômenos físicos.
REFERÊNCIAS
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[1] Mestranda em Ciências dos Materiais, Universidade Federal do Vale do São Francisco – UNIVASF.
[2] Bacharel em Enfermagem.
[3] Doutoranda em Ciências dos Materiais, Universidade Federal do Vale do São Francisco – UNIVASF.
[4] Doutor, Docente da Universidade Federal do Vale do São Francisco – UNIVASF.