3º Trabalho laboratorial de EO:

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1 3º Trabalho laboratorial de EO: Óptica Guia Este guia é constituído pelas seguintes partes: Elaboração do relatório; Descrição da experiência; Acesso ao laboratório e-lab; Guia/Protocolo; 2º semestre, 2012/ MEFT Autor: Rafael Henriques Elaboração do relatório A estrutura do relatório deve apresentar uma forma semelhante à do guia, isto é, cada pergunta deve vir referenciada pela respectiva alínea e estas devem ser respondidas no seguimento de cada questão. Serão descontados pontos na classificação final aos relatórios que não apresentem esta estrutura. Não é necessário apresentar as respostas demasiado elaboradas, isto é, respostas com uma introdução, desenvolvimento e conclusão. Basta responderem concretamente às perguntas, indicando tudo o que seja necessário para uma boa compreensão das respostas. Este trabalho de laboratório pode ser realizado a qualquer altura uma vez que se trata de um laboratório remoto. Por isso, será somente necessário entregar o relatório dentro do prazo estipulado. O relatório deverá ser entregue impresso até dia 27 de Maio (2ª feira) às 17h00 na secretaria do Departamento de Física. É aconselhável não deixar a realização experimental do laboratório muito em cima do prazo de entrega, uma vez que, a aquisição dos resultados é significativamente mais demorada que a do primeiro trabalho de laboratório. Para qualquer dúvida, podem contactar o docente através do presente na página da cadeira. Para poder visualizar este precisam de entrar no Fenix. Descrição da experiência Esta experiência destina-se a estudar o comportamento da luz na transição entre dois meios com índices de refracção diferentes, nomeadamente, ar e acrílico. A montagem experimental é constituída pelos seguintes componentes: 1. Laser de estado sólido (luz vermelha com comprimento de onda de 650nm); 2. Sensor óptico (foto-transístor); 3. Semi-cilíndro em acrílico (Plexilgass); 4. Polarizador linear (0 a 90 relativamente a um plano normal ao plano de incidência); Na figura 1 encontra-se presente a montagem experimental vista de perspectiva.

2 Figura 1: Montagem experimental da experiência optica. O laser encontra-se no mesmo plano horizontal que o Plexiglass plano de incidência. O Plexiglass pode rodar 360 no plano horizontal, permitindo assim uma incidência do laser quer na face plana (0-180 ) quer na face curva ( ). Ainda no mesmo plano horizontal, encontra-se o sensor óptico que permite medir a intensidade de luz em função do ângulo. Um varrimento angular completo do sensor tem início no ângulo 8 e final no ângulo 352. Na figura 2 encontra-se a indicação do sentido dos ângulos para o Plexiglass e o sensor óptico. Tanto o Plexiglass como o sensor óptico têm o mesmo eixo de rotação. O sensor óptico encontra-se a uma distância de R=45mm do eixo de rotação. A entrada do sensor óptico consiste numa fenda na vertical com 1mm de espessura. Segundo a vertical, assume-se que a luz é totalmente colectada pelo sensor óptico. O polarizador pode intersectar o feixe de luz do laser permitindo uma polarização da luz dos 0 aos 90. O ângulo de polarização de 0 corresponde à polarização vertical (perpendicular ao plano de incidência). O ângulo de polarização de 90 corresponde à polarização horizontal (paralelo ao plano de incidência).

3 Figura 2: Sentido dos ângulos para o Plexiglass (esquerda) e sensor óptico (direita) vistos de cima. A experiência optica permite a realização de 4 protocolos diferentes: 1. Lei de Snell. Neste protocolo é possível configurar o ângulo inicial e final do Plexiglass, o incremento do ângulo e o tempo de pausa em cada incremento de ângulo para permitir adquirir uma imagem recorrendo ao vídeo em direto. 2. Conservação de Energia. Neste protocolo é possível configurar um ângulo para o Plexiglass e, caso pretenda usar o polarizador, configurar um ângulo de polarização. 3. Ângulo Crítico (ou ângulo limite). Neste protocolo é possível configurar um intervalo de ângulos para o Plexiglass (ângulos inicial e final) e correspondendo a esse intervalo executar um varrimento do sensor óptico para os ângulos: mínimo (inicial), médio ( [final-inicial]/2 + inicial ) e máximo (final). Ou seja, por configuração (ou execução) é possível realizar até três varrimentos. 4. Ângulo de Brewster. A configuração deste protocolo é igual à do protocolo Ângulo Crítico (ângulo limite) adicionando que é necessário configurar um ângulo de polarização. Acesso ao laboratório e-lab Entre na página do e-lab: elab.ist.utl.pt Inicie a plataforma do e-lab carregando no botão cor de laranja ( Launch ). A plataforma encontra-se programada em java, pelo que é possível que seja necessário instalar ou atualizar um JRE. Instale também um plugin do VLC para permitir a visualização do vídeo. No caso de não pretender instalar este plugin, pode visualizar também o vídeo usando um outro programa que interprete ficheiros com a extensão.sdp (VLC, Quicktime, etc ), através do seguinte link: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/optica.sdp Após todas as instalações estarem terminadas, surge a janela inicial da plataforma. Introduza o nome do utilizador e escolha o laboratório em que pretende entrar (Básico, Intermédio ou Avançado). Escolha o Laboratório Intermédio: aparece de seguida a descrição da experiência. Entre na experiência optica (escolhendo-a no pop-up menu em cima à esquerda). Nesta experiência, o controlador está subdividido em 5 secções/experiências: Lei de Snell, Conservação de Energia, Ângulo Crítico (ângulo limite), Ângulo de Brewster e Calibração. Escolha a experiência que pretenda executar e configure-a.

4 Após ter configurado a experiência, valide a configuração usando o botão OK. Após a configuração ter sido validada, o botão de play, em baixo, ficará activo, no caso de se assumir como o administrador da experiência (caso não haja mais utilizadores ligados à experiência, será sempre o administrador). No caso de existirem mais utilizadores, verifique o tempo de espera na tab Utilizadores. Pode também seleccionar a opção Auto-play para que quando chegar a sua vez a experiência seja lançada automaticamente. Lance a experiência carregando no botão Play (caso não tenha usado o Auto-play ). Logo que experiência comece a enviar os dados, a plataforma muda automaticamente para a tab Resultados. Se clicar agora no gráfico, poderá ver o mesmo a ser construído dinamicamente. Importe os dados através da Tabela de dados, permitindo assim copiá-los ou guardá-los num ficheiro, de forma a poder analisá-los usando outro programa (Excel, Origin, Matlab, etc ). Guia/Protocolo 1. Leia com atenção os 3 pontos anteriores (Elaboração do relatório, Descrição da experiência e Acesso ao laboratório e-lab) antes de prosseguir com a realização do trabalho de laboratório e respectivo relatório. 2. No protocolo Conservação de energia : a. Configure a experiência com os seguintes parâmetros: Ângulo do Plexiglass = 60º e Polarização: Não. i. Comente os resultados obtidos no gráfico. ii. Determine o índice de refracção do acrílico usando a lei de Snell. Recorra a ajustes aos picos de intensidade luminosa de modo a retirar os ângulos com maior precisão. Assuma que os picos têm uma forma Gaussiana (Sugestão: pode usar o programa fitteia*). Apresente o resultado acompanhado dos respectivos erros. iii. Compare o índice de refracção obtido experimentalmente com o valor típico do índice de refração do acrílico (pesquisar na internet e indicar fonte de informação). b. Execute agora 4 configurações diferentes: (1) Ângulo do Plexiglass = 30 e Polarização: Não ; (2) Ângulo do Plexiglass = 60 e Polarização: Não ; (3) Ângulo do Plexiglass = 210 e Polarização: Não ; (4) Ângulo do Plexiglass = 240 e Polarização: Não ; i. Calcule a potência média luminosa total (em mw) detectada pelo sensor óptico para ambos os casos. Para converter a unidade Lux (lumen/m 2 ) para W, considere que o laser tem uma área de 6 mm 2 e considere também a unidade Lux correspondente à visão fotópica. Podem retirar o valor de conversão (lumen/w) através das tabelas presentes no seguinte site:

5 Sugestão: veja também o seguinte site: ii. Compare os resultados obtidos na alínea anterior e comente. c. Utilizando agora o polarizador ( Polarização: Sim ) e variando os ângulos de polarização, o que pode concluir sobre a luz emitida pelo laser? d. Calcule os coeficientes de reflexão e transmissão para a configuração: Ângulo do Plexiglass = 10 e Polarização: Não. Compare os resultados obtidos experimentalmente com os valores calculados. Comente. e. Nas condições da montagem experimental, porquê que a intensidade total da luz detectada pelo sensor óptico será sempre inferior à emitida pelo laser? Apresente uma prova que comprove tal facto. 3. No protocolo Ângulo de Brewster : a. Calcule o ângulo de Brewster recorrendo aos índices de refracção da alínea 2.iii (teórico e experimental). b. Determine o ângulo de Brewster experimentalmente e compare com os valores da alínea anterior. Apresente um gráfico dos resultados. Comente. 4. De um modo geral, o que tem a dizer da experiência em questão de precisão e exatidão dos resultados obtidos. Diga/apresente as possíveis fontes de erro envolvidas nesta experiência e apresente uma solução para melhorá-las. * fitteia fitteia.ist.utl.pt