3º Trabalho laboratorial de EO:
Óptica – Guia
2º semestre, 2012/2013 - MEFT
Autor: Rafael Henriques
Este guia é constituído pelas seguintes partes: Elaboração do relatório;
Descrição da experiência; Acesso ao laboratório e-lab; Guia/Protocolo;
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 e-mail presente na página da cadeira. Para poder visualizar este e-mail 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.
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 (180°-360°). 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).
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”.
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/m2)
para W, considere que o laser tem uma área de 6 mm2 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:
Sugestão: veja também o seguinte site:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/vision/lumpow.html#c1
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.
