UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Escola de Engenharia de Lorena EEL

Transcrição

1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Escola de Egehaia de Loea EEL LOB101 - FÍSICA IV Pof. D. Duval Rodigues Juio Depatameto de Egehaia de Mateiais (DEMAR) Escola de Egehaia de Loea (EEL) Uivesidade de São Paulo (USP) Polo Ubo-Idustial, Gleba AI-6 - Loea, SP duval@dema.eel.usp.b Comuidade Aluos (Págia dos pofessoes) Rodovia Itajubá-Loea, Km 74,5 - Caixa Postal 116 CEP Loea - SP Fax (1) Tel. (Dieto) (1) / USP Loea Polo Ubo-Idustial Gleba AI-6 - Caixa Postal 116 CEP Loea - SP Fax (1) Tel. (PABX) (1)

2 UNIDADE 5 - Itefeêcia

3 Itefeêcia Picípio de Huyges A Lei da Refação Difação O Expeimeto de Youg Itesidade das Fajas de Itefeêcia Itefeêcia em Filmes Fios O Itefeômeto de Michelso

4 Picípio de Huyges Chistiaa Huyges ( ), físico holadês, apesetou a pimeia teoia odulatóia da luz em Teoia mais simples que a Teoia de Maxwell, pemite a explicação das leis de eflexão e efação em temos de odas e defie ídice de efação. Costuto de telescópios, em 1655 detectou a pimeia lua de Satuo. Ciado do pimeio elógio de pêdulo, pateteado em 1656 seguido poposta de Galileu.

5 Itefeêcia Teoia odulatóia de Huyges: utiliza uma costução geomética que pemite peve ode estaá uma dada fete de oda em qualque istate futuo se cohecemos sua posição atual. Essa costução se baseia o Picípio de Huyges.

6 Picípio de Huyges: Todos os potos de uma fete de oda se compotam como fotes potuais de odas secudáias. Depois de um itevalo de tempo Δt a ova posição da fete de oda é dada po uma supefície tagete a essas odas secudáias. A Teoia odulatóia da Luz foi feita pelo físico holadês Chistia Huyges em Emboa muito meos completa que a teoia eletomagética de Maxwell, fomulada mais tade, a teoia de Huyges ea matematicamete mais simples e pemaece útil até hoje.

7

8 θ i θ Veificamos que a eflexão especula: θ θ i

9 Refação e Lei de Sell Veificamos a Lei de Sell: i siθ i t siθ t θ i ode i c v i θ t

10 Fequêcia e Compimeto de Oda a Refação Temos: i t siθ siθ t i 4t AD 4i AD logo: t i i t θ i se i 1 (vácuo): t t θ t

11 Itefeêcia Compimeto de oda e ídice de efação v. c c v Compimeto de oda o meio é o ídice de efação do meio Compimeto de oda o vácuo

12 Itefeêcia Seja f a fequêcia da luz em um meio cujo ídice de efação é. f v c v f c c f Emboa a velocidade e o compimeto de oda sejam difeetes o meio e o vácuo, a feqüêcia ão se altea. É a mesma o meio e o vácuo. (IMPORTANTE!)

13 1 / / i t t i t i i t t i i t i i t t i t c c v v v v f f Ela é a mesma, o meio mateial e o vácuo. Quato a feqüêcia ( f ) :

14 A Luz como uma Oda Itefeêcia Difeeça de Fase ou Defasagem (φ) É a difeeça em gaus ou em compimetos de oda que existe ete duas odas o mometo do ecoto ete as mesmas. Obseve o esquema a segui: Levado a oda paa iicia em F 1 ao ivés de F, obtém-se a figua a segui: F F 1 P φ Itefeêcia destutiva em P (defasagem φ)

15 Capítulo 35: Itefeêcia 35- A Luz como uma Oda Exemplos de Defasagem (φ) φ φ 0 0 o ou ITC Odas em fase φ 1 ou φ 180 o φ ou φ 360 o φ ou φ 540 o 3 ITD Odas em oposição de fase ITC Odas em fase ITD Odas em oposição de fase ITC Itefeêcia Totalmete Costutiva ITD Itefeêcia Totalmete Destutiva

16 A Luz como uma Oda Itefeêcia Utilização da Defasagem paa detemia a itefeêcia Pelos exemplos ateioes, podemos coclui que: φ m Esse m é o úmeo de meios compimetos de oda em que as odas estão defasadas. Paa m Pa Ímpa Itefeêcia Costutiva Itefeêcia Destutiva

17 A Luz como uma Oda v v c c v c c f f Itefeêcia A fequêcia da luz em um meio é o mesma que o vácuo. Desde que os compimetos de oda em 1 e são difeetes, os dois feixes podem ão esta mais em fase após passaem pelos dois mateiais. Númeo de compimetos de oda em Númeo de compimetos de oda em 1 : : N N 1 L 1 L L Assumido > 1 : N N1 ( 1) L 1 L L1 L

18 Mudaça de Fase Os úmeos de compimetos de oda os meios 1 e são dados po: N 1 L 1 L 1 N L L logo N L ( ) N1 1 a a Difeeça de fase efetiva, em ad : Δf pate decimal de N N 1

19 Mudaça de Fase A difeeça de fase em compimetos de oda seá: N L ( ) N1 1 p/ > 1 em adiaos seá: ( N ). π φ em ad) ( N1 a a em gaus seá: ( N ) N. φ( em gaus) 1 360

20 A Luz como uma Oda Itefeêcia Exemplo 35-1 Na Fig as duas odas lumiosas epesetadas po aios têm um compimeto de oda de 550,0 m ates de peeta os meios 1 e. Elas têm a mesma amplitude e estão em fase. Supoha que o meio 1 seja o pópio a e que o meio seja um plástico taspaete com ídice de efação 1,600 e uma espessua de,600 μm. (a) Qual é a difeeça de fase ete as duas odas emegetes em compimetos de oda, adiaos e gaus? Qual é a difeeça de fase efetiva (em compimetos de oda)? (b) Se os aios lumiosos se ecotassem em uma tela distate, poduziiam um poto clao ou escuo? Resposta (a):,84 17,8ad 100 o Resposta (b): ve livo (p. 48)

21 A Luz como uma Oda Itefeêcia

22 Thomas Youg ( ) Youg lia em Iglês aos aos, Latim aos 6 aos, e apedeu outas líguas, domiado 10 idiomas com apeas 16 aos. Físico e médico iglês, estudou a sesibilidade do olho humao às coes. Popôs a existêcia de tês coes difeetes que têm sesibilidade paa as coes vemelho, azul e vede: o picípio usado a TV coloida. Em 1800, o tabalho Outlies of Expeimets ad Equies Respectig Soud ad Light, compaou os modelos de Newto e Huyges dado supote à itepetação odulatóia. Deu cotibuições impotates a teoia da elasticidade (módulo de Youg), e a egiptologia.

23 O Expeimeto de Youg (1801) Itefeêcia: S 1 e S são Fotes Coeetes e em fase.

24 Itefeêcia Obsevações Impotates A difeeça de fase ete odas pode muda se as odas pecoem distâcias difeetes. Em um expeimeto de itefeêcia de dupla feda de Youg, a itesidade lumiosa em cada poto da tela de obsevação depede da difeeça L ete as distâcias pecoidas pelos dois aios que chegam em cada poto da tela.

25 Visão tidimesioal:

26

27 Exemplo de itefeêcia de odas a supefície da água Neste poto as odas sofem itefeêcia costutiva Neste poto as odas sofem itefeêcia destutiva Odas ciculaes popagam-se em todas as dieções Odas ciculaes geadas po uma boliha oscilate Boliha oscilate

28 Itefeêcia da Luz - Expeiêcia de Youg A expeiêcia de Youg cia duas fotes de luz em fase e coeetes a pati de uma úica fote. Faja claa Fajas de itefeêcia Faja escua Itefeêcia Destutiva Itefeêcia Costutiva

29 Temos a fomação de fajas devido à difeeça de pecusos (ópticos): Odas foa de Fase: Itefeêcia Destutiva Odas em Fase: Itefeêcia Costutiva Poto R à meia distâcia ete os potos P e Q.

30 Localização das Fajas: L >> d δ 1 d se θ Faja claa: (itefeêcia costutiva) δ m ; d se θ m, m 0, 1,,.. Faja escua: (itefeêcia destutiva) δ (m +1/) ; d se θ (m +1/)

31 Fajas Claas e Escuas: d se θ m (Claas) d se θ (m +1/) (Escuas) (Máx. Lateal de a odem) (Mi. Lateal de a odem) (Máx. Lateal de 1 a odem) (Mi. Lateal de 1 a odem) (Máximo cetal) (Mi. Lateal de 1 a odem) (Máx. Lateal de 1 a odem) (Mi. Lateal de a odem) (Máx. Lateal de a odem)

32 Posições o Atepao Paa âgulos pequeos temos: θ taθ seθ Logo, paa os máximos mais cetais: d seθ m d taθ m y d m m L L m d y m (máximos) Aalogamete, paa os míimos mais cetais: y m m + 1 L d (míimos)

33 Posições o atepao Máximos: y m L L ( ) m Míimos: y m + 1 m +1 d d O espaçameto ete as fajas seá : Δ y ym+1 y m d L Se d e θ são pequeos, a distâcia ete as fajas idepede de m.

34 d d

35 Itesidade das Fajas de Itefeêcia A itefeêcia ete S 1 e S, de itesidades I a tela, leva a eegia lumiosa a se edistibuída o atepao segudo a equação: I 1 4I φ 0 cos ode φ πd seθ

36 Os máximos de itesidade ocoem em: ( m 0, 1,,..) 1 φ mπ Os míimos em: πd seθ mπ d seθ m 1 1 ( φ m + π d seθ m + 1 ) kδl π ΔL

37 Demostação da Eq. paa a Itesidade das Fajas: Itefeêcia Geal 1 No caso do expeimeto de Youg temos: E E 01 0 Assim, os campos eléticos só difeem a fase.

38 Pova: Fómula da Itesidade O campo elético geado po duas fotes coeetes: E (,t) E (,t) E (,t) E 1 + ( ) ode 1,t E (,t) e são devidos às fotes 1 e. supodo: E E 1 (,t) E cos( k ωt) 01 ( ) (,t E cos k ωt) 0 e E // E 01 0

39 E Podemos esceve paa o poto P o atepao: ( ) ( ) ( ) P t E cos k t + E cos k ωt +, 1 ω 01 0 Usado a elação: cos a a E a + b a b + cos b cos cos ; E 01 E e 0 E01 E0 k + E01 E0 cos 1 cos ( + ) ω ; 1 t ( k ωt) ( k ωt) b k A teceia pacela da equação acima fica: + 1 ( ) [cos( k ( 1 + ) ωt) + cos( k ( 1 ))] 01.E0

40 ( ) ( ) cos 0 01 k E E E E P E + + Tomado a média tempoal, temos: Multiplicado po: 0 cε ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) cos k P I P I P I P I P I + + ( )( ) P I 1 Assim, são as itesidades das fotes 1 e o poto P. ( ) ( ) 1 1 k k θ θ θ 1 como: 1 1 ; k k k k 0 E c I ε

41 como: θ 1 θ Lembado que: I θ 1 k d seθ πd I1 + I + I1I cos se θ Se as fotes são iguais: 0 ( ) I I o 1+ cosφ 4I o ( ) k( ) I I I 1 cos φ cos( φ / + φ / ) 1 + cos ( φ / ) se ( φ / ) cos ( φ / ) I 1 4I 0 cos φ φ πd seθ

42 Mas a históia ão está completa. Na difação (póximas aulas) teemos: a a a >!

43 Exemplos

44 Itefeêcia em Filmes Fios A luz icidete em um filme fio apeseta efeitos de itefeêcia associados à difeeça de camiho óptico deto do filme. Cosidee: 0 θ e > 1 Fatos: i) Icidêcia de 1 paa, ode > 1, o aio efletido tem defasagem de e o efatado está em fase com o icidete; ii) Icidêcia de 1 paa, ode < 1, o aio efletido ão tem defasagem. θ θ 1 L

45 > Paa ou : 1 > 1 Itefeêcia costutiva: 11 1 L m + 1 L m L m + m 0, 1,,... ou: ; Itefeêcia destutiva: L m L m1 1 ou: m ; L m 0, 1,,...

46 Espessua do filme muito meo que : >> L > < 1 Se cosidea-se apeas a defasagem devida à eflexão. 1 Itefeêcia destutiva (escuo)

47 Itefeêcia em Filmes Fios Itefeêcia

48 Itefeômeto de Michelso

49 Itefeômeto de Michelso E 1 Difeeça de camiho ótico: L m L f Se a difeeça fo alteada teemos modificação a itefeêcia. Se E 1 muda de, todos os máximos se deslocam paa os adjacetes.

50 Itefeômeto de Michelso Itodução de mateial de espessua L e ídice de efação : Númeo de compimetos de oda o mateial: L N b Númeo de compimetos de oda em L ates da itodução: L N a N b N a L ( 1) Cada máximo se desloca de N b N a fajas de itefeêcia.

51 Itefeômeto de Michelso Usado esta técica é possível medi a espessua L do mateial itoduzido; Michelso mostou que o meto padão ea equivalete a ,5 compimetos de oda de uma luz moocomática, emitida po uma fote lumiosa de Cádmio. Po esta medida ele gahou o Pemio Nobel de Física de 1907; Um apaato como este foi usado paa testa a existêcia do éte, meio ode a luz se popagaia! O esultado foi egativo, mostado que o éte ão existe.

52 Itefeêcia

53 Itefeêcia

54 Itefeêcia

55 Itefeêcia Execícios ecomedáveis do Capítulo 35 do Halliday, 8ª Edição, paa seem feitos: Poblemas: 1; ; 4; 5; 8; 9; 13; 14; 16; 17; 18; 19; 0; ; 7; 9; 31; 33; 35; 38; 39; 53; 55; 69; 83