defi departamento de física

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1 def deparameno de físca Laboraóros de Físca Equações de Fresnel Insuo Superor de Engenhara do Poro Deparameno de Físca Rua Dr. Anóno Bernardno de Almeda, Poro. Tel Fax:

2 Laboraóros de Físca Les de Fresnel Objecvos: Les de Fresnel Compreender o conceo de polarzação da luz; Deermnar o ângulo de Brewser; Traçar expermenalmene as les de Fresnel. Inrodução eórca Segundo as les da reflexão e da refracção, quando um fexe lumnoso ncde na superfíce de separação enre dos meos com dferenes caraceríscas, uma pare desse fexe é reflecdo numa drecção smérca em relação à normal da superfíce, com um ângulo gual ao ângulo de ncdênca Le da Reflexão. O resane fexe é refracado, propagando-se no segundo meo com índce de refracção n, numa drecção que obedece à le da refracção desgnada por Le de Snell (1): n snθ 1 = n snθ (1) A nensdade dos város fexes é deermnada a parr dos coefcenes de reflexão e de ransmssão (), que correspondem à razão enre as ampludes dos campos elécrcos dos fexes reflecdo e ransmdo (ou refracado) relavamene à amplude do fexe ncdene, respecvamene. Sabendo que qualquer po de polarzação pode ser sempre decomposo em duas componenes perpendculares enre s, dever-se-ão dsngur esas duas suações quano ao fexe ncdene, pos as condções fronera mposas na zona de separação enre os meos esão condconadas pela drecção de osclação do campo elécrco ncdene. Assm, dsnguem-se os coefcenes de reflexão e de ransmssão para os dos casos (Fgura 1). E r = E r E = E () Fgura 1 Indcação do plano de ncdênca e das drecções de polarzação para os dferenes fexes: ncdene, reflecdo e refracado. Deparameno de Físca Págna /6

3 Laboraóros de Físca Les de Fresnel a) Quando o fexe ncdene em polarzação perpendcular ao plano de ncdênca, er-se-á: r n1cosθ ncosθ = n cosθ + n cosθ 1 n1 cos = θ n cosθ + n cosθ 1 (3) b) Quando o fexe ncdene em polarzação paralela ao plano de ncdênca, er-se-á: ncosθ n1cosθ r = n cosθ + n cosθ 1 n1 cosθ = n cosθ + n cosθ (4) 1 A nensdade dos fexes reflecdo e ransmdo é deermnada a parr das suas poêncas relavamene ao fexe ncdene. As quandades assm deermnadas são desgnadas por Reflecânca R e Transmânca T. Sendo a reflecânca R a razão enre as respecvas nensdades, esa será gual ao quadrado do coefcene de reflexão, r (5), uma vez que o meo de propagação é o mesmo para os fexes reflecdo e ncdene. Em conraparda, o fexe ransmdo ao propagar-se num meo com índce de refracção dferene numa drecção de propagação ambém dferene, va sofrer expansão,.e., o dâmero do fexe no segundo meo é maor (se n > n 1 ). Nese caso, a ransmânca T é proporconal ao quadrado do coefcene de ransmssão,, com um facor de proporconaldade desgnado por facor de expansão do fexe e represenado em (6). R I I r = = r (5) T I I n n = = 1 cosθ cosθ (6) De acordo com as duas suações de polarzação do campo elécrco ncdene, ambém se dsnguem as reflecâncas e as ransmâncas em função dessa polarzação, conforme as expressões segunes ndcam: R I = = = = I sen ( θ r θ ) Ir g ( ) R θ θ sen ( θ + θ) I g ( θ + θ) (7) T nwi n cosθ 4sen θ cos θ = = nwi 1 n1 cosθ sen ( θ+ θ) wi n cosθ 4sen θ cos θ T = = wi θ θ θ θ θ n1 cos sen cos ( + ) ( ) (8) onde, w w represenam respecvamene, as larguras dos fexes ncdene e ransmdo. Deparameno de Físca Págna 3/6

4 Laboraóros de Físca Les de Fresnel Ângulo de Brewser Quando θ + θ = 90º, a onda reflecda va emergr lnearmene polarzada, apenas com a componene do campo elécrco perpendcular ao plano de ncdênca, pos a sua componene paralela anula-se. O ângulo de ncdênca para o qual se verfca esa suação é desgnado por ângulo de Brewser, podendo ser calculado a parr da le de Snell, resulando em: g B n n θ = (9) 1 Incdênca normal Quando o fexe ncde com drecção normal à superfíce,.e., θ θ 0º e perpendcular são dêncas e as equações de Fresnel escrevem-se como: = =, as componenes paralela n n 1 = = e n1+ n R R R 4nn 1 T = T T = ( n + n ) (10) 1 Nesa suação a reflexão é mínma. A reflexão aumena com a amplude do ângulo de ncdênca. Para θ = 90º a reflexão é oal para ambas as componenes da onda,.e., R = 1. Na Fgura esão represenados dos gráfcos referenes às reflecâncas observadas em função do ângulo de ncdênca, para dferenes meos, nas duas suações de polarzação. A parr deses gráfcos pode-se deermnar o valor do ângulo de Brewser para os nerfaces represenados. Verfca-se que para meos de ransmssão com índces de refracção maores, o ângulo de Brewser aumena. Fgura - Coefcenes de reflexão para n 1 =1 e n = 1.3 (cma) e para n 1 =1 e n = (baxo) em função do ângulo de ncdênca (θ). Deparameno de Físca Págna 4/6

5 Laboraóros de Físca Les de Fresnel Maeral Necessáro Laser Foodíodo Volímero Polarod Transferdor Placa espessa ransparene Procedmeno expermenal 1. Verfque se a monagem expermenal esá de acordo com o esquema represenado na Fgura 3.. Coloque a placa espessa ransparene em cma do ransferdor graduado. Faça ncdr a luz laser rasane ao ransferdor e aponada para o cenro do mesmo de forma a ler a escala correcamene. Laser Polarod Foodíodo Fgura 3 Esquema de monagem. Deermnação do ângulo de Brewser 3. Com a ajuda do Polarod, orene o fexe laser de forma a er o exo de polarzação paralelo ao plano de ncdênca. 4. Vá rodando a placa de plásco sobre o ransferdor de forma ao fexe laser ncdr com um ângulo cada vez maor. Procure o ângulo de Brewser,.e., procure a ncdênca para a qual o fexe reflecdo pela placa ransparene ver um mínmo de nensdade. ATENÇÃO: Exsem pelos menos dos fexes reflecdos na placa, orgnados pela reflexão em cada uma das suas superfíces. Deve consderar somene o fexe reflecdo na prmera superfíce. Deparameno de Físca Págna 5/6

6 Laboraóros de Físca Les de Fresnel 5. Use o valor obdo para deermnar o índce de refracção da placa ransparene, consderando que o índce de refracção do ar é n ar = 1. Verfcação das equações de Fresnel 6. Ajuse o Polarod à saída do laser e rode o laser de forma ao fexe er polarzação horzonal. 7. Coloque o foodíodo orenado para o fexe reflecdo na superfíce da frene da placa (reflexão prncpal ou prmára). 8. Deve er cudado para usar correcamene a fenda que proege o foodíodo da radação ambene. Verfque ambém se o fexe laser esá a ncdr no cenro do foodíodo. NOTA IMPORTANTE: O foodíodo possu uma resposa aproxmadamene lnear de 4mV/lux. A sauração é angda para 450 mv. 9. Faça varar os ângulos de ncdênca, começando por um valor baxo (~10º) aé 90º, em nervalos de 10º. Com o volímero lgado ao foodíodo e usando a escala mas baxa de ensão DC, regse os valores de ensão para cada ângulo. 10. Repa o procedmeno aneror mas com a luz do laser polarzada vercalmene. 11. Represene grafcamene as reflecâncas obdas expermenalmene, comparando-as com as curvas eórcas, usando o índce de refracção meddo anerormene. 1. Represene grafcamene a reflecânca oal R = R + R T. 13. Represene grafcamene a curva da ransmânca para cada uma dos casos de polarzação, a parr dos resulados expermenas. Verfque se exse conservação de energa. Ouras nformações Deverá regsar odas as medções que efecuar, bem como as caraceríscas dos aparelhos de medda ulzados. Todos os cálculos deverão esar ndcados de forma clara, ulzando undades conssenes para as váras grandezas. Referêncas Bblográfcas Physcs Laboraory Expermens (5h edon), Jerry D. Wlson, 1998, Houghon Mffln Company, U.S.A. Laboraory Expermens n College Physcs (7h edon), Ccero H. Bernard & Chrold D. Epp, 1995, John Wley & Sons, Inc. Deparameno de Físca Págna 6/6

7 Laboraóros de Físca Les de Fresnel Anexo A Curso: Les de Fresnel Anexo A Dscplna: Ano: Turma: Grupo #: Daa da realzação: Daa de enrega: Tabelas Tabela 1: Regso dos Aparelhos de Medção Aparelhos Undades Resolução Erro de Leura Tabela : Meddas do fexe reflecdo polarzação horzonal polarzação vercal Ângulo θ V // [mv] R // V [mv] R 10º 0º 30º 40º 50º 60º 70º 80º <90º - -

8 Laboraóros de Físca Les de Fresnel Anexo B Quesões sobre os conceos de: Conceo de polarzação da luz; Ângulo de Brewser; Les de Fresnel. Les de Fresnel Anexo B Quesões - -