construÇÃo de um kit de experimentos de Óptica com

Rev. Bras. de Iniciação Científica (RBIC), Itapetininga, v. 6, n.3, p. 3-21, jul./set., 2019.

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CONSTRUÇÃO DE UM KIT DE EXPERIMENTOS DE ÓPTICA COM MATERIAIS DE FÁCIL ACESSO CONSTRUCTION OF AN OPTICAL EXPERIMENT KIT WITH EASILY ACCESSIBLE MATERIALS CONSTRUCCIÓN DE UN KIT DE EXPERIMENTOS DE ÓPTICA COM MATERIALES DE FÁCIL ACCESO Claudio Clauderson Xavier1 Daniele Guerra da Silva2 Vivian Machado de Menezes3 Resumo: Este trabalho apresenta uma proposta de construção de um kit de experimentos de óptica com materiais de fácil acesso, para utilização em aulas práticas. Relacionar demonstrações e dados experimentais a conceitos físicos pode potencializar um melhor aprendizado dos estudantes, evitando, assim, apenas a exposição teórica e tornando a aula mais atrativa. Como alternativa, são apresentados aqui os materiais que compõem o kit de experimentos de óptica que está sendo proposto, com as montagens, procedimentos experimentais e análises dos resultados de experimentos relacionados às ópticas geométrica e física, retratando os fenômenos ópticos de reflexão, refração, reflexão interna total, interferência, difração, dispersão e espalhamento. Palavras-chave: Óptica. Materiais de baixo custo. Atividades experimentais. Ensino de Física. Abstract: This work presents a proposal for the construction of an optics experiment kit with easily accessible materials, for use in practical classes. Relating demonstrations and experimental data to physical concepts can enhance students' better learning, avoiding, thus, just theoretical exposition and making the class more attractive. As an alternative, are presented here the materials that make up the optics experiment kit which is being proposed, the experimental setups, procedures and the results analysis of experiments related to geometrical and physical optics, depicting the optical phenomena of reflection, refraction, total internal reflection, interference, diffraction, dispersion and scattering. Keywords: Optics. Low-cost materials. Experimental activities. Physics teaching. Resumen: Este trabajo presenta una propuesta de construcción de un kit de experimentos de óptica con materiales de fácil acceso, para uso en clases prácticas. Relacionar demostraciones y datos experimentales a conceptos físicos puede potenciar un mejor aprendizaje de los estudiantes, evitando así sólo la exposición teórica y haciendo la clase más atractiva. Como alternativa, se presentan aquí los materiales que componen el kit de experimentos de óptica que está siendo propuesto, los montajes, procedimientos experimentales y análisis de los resultados de experimentos relacionados a las ópticas geométrica y física, retratando los fenómenos ópticos de reflexión, refracción, reflexión interna total, interferencia, difracción, dispersión y esparcimiento. Palabras-clave: Óptica. Materiales de bajo costo. Actividades experimentales. Enseñanza de Física.

Envio 18/02/2019 Revisão 18/02/2019 Aceite 11/03/2019

1 Graduando em Licenciatura em Educação do Campo: Ciências Naturais, Matemática e Ciências Agrárias. Universidade Federal da Fronteira Sul. E-mail: [email protected]. 2 Licenciada em Física. Universidade Federal da Fronteira Sul. E-mail: [email protected]. 3 Doutora em Física. Universidade Federal da Fronteira Sul. E-mail: [email protected].


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Introdução

No território brasileiro, percebe-se, frequentemente, que existe uma defasagem no

ensino e na aprendizagem de física, principalmente na rede pública de ensino, onde o seu

público possui condições sociais e econômicas mais precárias (Silva; Leal, 2017). Esse

problema se torna ainda mais evidente com a falta de preparo do profissional docente, aspectos

cultural e familiar prejudiciais ao processo de aprendizagem, situação economicamente

contrária a um processo educacional adequado, desinteresse dos estudantes, sucateamento das

escolas, descaso com o profissional da educação ou falta de equipamentos adequados (Costa;

Barros, 2015).

Na tentativa de tornar o ensino mais eficiente e uma aprendizagem mais significativa,

alguns professores utilizam diferentes metodologias e artifícios, buscando uma melhora em

suas aulas (Paranhos et al., 2017; Araújo; Abib, 2003). Com isso, estamos considerando que

um professor deve ser e estar empenhado em promover uma educação de boa qualidade, mais

humana, que seja favorável à sua função social, que consiste em ajudar seus alunos em seu

desenvolvimento cognitivo, científico, social, afetivo, psicomotor, relacional, ético, linguístico

e estético. Além dessas “atribuições”, o professor se depara constantemente com outras

necessidades advindas de transformações e problemas sociais, políticos, econômicos e

educacionais (Gatti, 2016; Leite, 2011).

A realidade socioeconômica onde o profissional da educação atua é muito diversificada

e heterogênea, e uma estratégia para assegurar um bom aprendizado educacional apontada por

professores e pesquisadores é o uso de diferentes metodologias, além da aula meramente

expositiva (Thomaz, 2000; Leite, 2011). Então, buscando auxiliar os professores a demonstrar

alguns fenômenos físicos, especificamente relacionados ao conteúdo de óptica, aqui se propõe

um kit de experimentos que possui um custo relativamente baixo e com materiais de fácil

acesso. Propostas de roteiros experimentais de óptica com materiais de baixo custo até são

encontradas na literatura ou na internet, mas, muitas vezes, com experimentos isolados, não

havendo uma proposta de um kit que compreenda as ópticas física e geométrica no mesmo

trabalho.

Neste trabalho, os experimentos relacionados a fenômenos ópticos podem ser realizados

pelos professores, tendo um caráter demonstrativo, mas também podem ser realizados por

estudantes em grupo ou individualmente, promovendo, assim, uma interação social entre os


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estudantes e também com o professor. Essa proximidade com a experimentação possivelmente

causará um maior interesse e atenção dos alunos para as ciências (Leiria; Mataruco, 2015).

Além dessa vantagem de maior participação e promoção da capacidade de análise por parte dos

alunos, esse kit demonstra os fenômenos ópticos abordados, confirmando as previsões teóricas

da literatura que os descrevem. O custo desse kit, comparado com um laboratório de física, é

pequeno, por exemplo, alguns dos materiais utilizados são garrafa PET, apontador a laser, CDs,

fita crepe, tesoura, entre outros. No escopo dos fenômenos abordados, o kit está em um nível

de equiparação a um laboratório de física, permitindo o estudo de conceitos tanto de óptica

geométrica, quanto de óptica física.

Elaboração e execução de experimentos de óptica

A luz é uma onda eletromagnética. Quando emitida ou absorvida também demonstra

propriedades corpusculares. Ela é emitida por cargas elétricas aceleradas que absorvem uma

energia adicional mediante o aquecimento ou por meio de descargas elétricas (Halliday;

Resnick; Walker, 2009).

O estudo da luz e dos fenômenos luminosos, a óptica, é dividido em duas frentes, as

chamadas óptica geométrica e óptica física. Na óptica geométrica, estudam-se os fenômenos

ligados à propagação da luz através de raios luminosos definidos geometricamente. Na óptica

física, estudam-se os fenômenos luminosos cuja descrição depende do caráter ondulatório da

luz (Barreto Filho; Silva, 2013).

Neste artigo são apresentados experimentos que possibilitam a observação da

propagação retilínea da luz e em diferentes meios, através de fenômenos ópticos dentro do ramo

da óptica geométrica, e fenômenos relacionados à natureza ondulatória da luz, dentro da óptica

física.

Para a execução e construção do kit de experimentos de óptica são utilizados os

materiais listados a seguir: dois espelhos planos retangulares de aproximadamente 8,0 cm x 7,0

cm; caneta esferográfica; uma moeda; folha sulfite; transferidor; papel cartão preto; sacola

plástica; tesoura; quatro réguas transparentes; fita adesiva; miçangas coloridas; estilete; fósforo;


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vela; laser4; vasilha com água; balde ou pia; canudo de plástico; cola quente; garrafa PET;

aquário (ou outro recipiente grande e transparente); açúcar do tipo cristal (1 kg); lanterna; 3

CDs; fio de cabelo; anteparo (podendo ser a parede da sala de aula) e 10 mL de leite.

Óptica geométrica

Experimento 1: Multiplicação de moedas

Este experimento tem como objetivo demonstrar a multiplicação de imagens através de

uma associação de espelhos planos.

O experimento é montado desenhando-se em uma folha sulfite, com ajuda do

transferidor, uma base com diferentes ângulos (de 30° em 30°), conforme a figura 1 (a). Após

a montagem do experimento, alinham-se os espelhos sobre a base desenhada no sulfite, em um

ângulo de 180º um do outro, coloca-se uma moeda no centro deles e observa-se a imagem

formada nos espelhos (figura 1 (b)). Este procedimento é repetido para diferentes ângulos

(figura 1 (c)).

Figura 1: (a) Base para o experimento “multiplicação de moedas” com diferentes ângulos na folha sulfite. Espelhos posicionados com diferentes ângulos entre si: (b) 180° e (c) 60°. Em destaque a

moeda que originou as imagens refletidas nos espelhos.

Fonte: O autor.

O princípio físico deste experimento é baseado na reflexão da luz, que ocorre quando

um feixe de luz incide sobre uma superfície (ou interface de separação entre dois meios

4 Nos experimentos que utilizam laser, deve-se ter cuidado para não incidir o laser no olho do observador, pois alguns tipos de laser podem causar queimaduras na região dos olhos ou até mesmo problemas na visão.


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transparentes) e volta ao meio de propagação de origem. Quando um feixe de luz incide em

uma superfície lisa e polida (que é o caso dos espelhos planos do experimento), ele é refletido

de maneira especular (regular), sendo que os raios refletidos têm um ângulo de reflexão igual

ao ângulo de incidência (Gaspar, 2011).

No caso do experimento, a luz refletida por um dos espelhos incide sobre o outro

espelho, produzindo uma combinação de imagens refletidas da moeda. O número de imagens

varia conforme a posição dos espelhos, ou seja, à medida que a angulação entre os dois espelhos

vai diminuindo, ocorre um aumento do número de imagens da moeda refletida, como pode ser

observado na figura 1 (c), em comparação com a figura 1 (b)5.

Experimento 2: Caleidoscópio

Este experimento tem como objetivo demonstrar o fenômeno visual que resulta de

reflexões da luz que incide em três “espelhos” em formato de prisma triangular.

O experimento é montado unindo-se três réguas transparentes pelas laterais, em um

formato de triângulo equilátero, utilizando fita adesiva. Na sequência, encapa-se a estrutura

formada pela junção das réguas com papel cartão preto, de modo que sobre 3 cm,

aproximadamente, do papel em uma das extremidades da estrutura, onde deverão ser

armazenadas as miçangas. Após, adicionam-se as miçangas a esse espaço de 3 cm e fecha-se

esta extremidade com um pedaço de sacola plástica, conforme figura 2 (b, (esquerda)). Fecha-

se totalmente a outra extremidade com o papel cartão e, em seguida, é feito um pequeno orifício,

com auxílio de uma caneta. As figuras 2 (a) e (b) ilustram a montagem do experimento. Com o

objeto montado, deve-se posicionar o olho do observador na extremidade aberta, onde são

observadas imagens formadas no caleidoscópio (figura 2 (c)). Deve-se girar o caleidoscópio

para modificar as posições das miçangas e os padrões de imagens formados.

A régua, por ser uma superfície lisa e polida, reflete a luz de forma especular, assim

como um espelho, mas, por ser transparente, necessita que os raios luminosos incidam somente

em uma de suas faces, para o bom funcionamento do caleidoscópio. Por este motivo, cobrimos

a face externa com um papel escuro, para que as reflexões ocorram somente na região interna

5 O número de imagens formadas para os ângulos de 180° e 60° são, respectivamente, 1 e 5, como pode

ser visto na Figura 1. Este número também poderia ser calculado pela expressão � = ��

�1, onde � é

o número de imagens e � o ângulo entre os espelhos (em radianos) (Ribeiro, 2014).


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do caleidoscópio e raios luminosos externos não interfiram na formação das imagens. Quando

um feixe luminoso, que entra pela extremidade inferior do caleidoscópio, incide na superfície

de uma das réguas no interior do conjunto, ocorre o fenômeno de reflexão da luz, da mesma

forma que no experimento “multiplicação de moedas”. Em seguida, o feixe luminoso refletido

passa por outras reflexões na superfície das demais réguas da combinação, produzindo diversos

efeitos visuais geométricos, simétricos, em torno de um eixo (Omelczuck; Soga; Muramatsu,

2017). Quando movimentado o caleidoscópio, é produzido um novo padrão de imagem. A

figura 2 (c) ilustra duas imagens formadas no caleidoscópio.

Figura 2: (a) Montagem do caleidoscópio (prisma triangular); (b) extremidades inferior e superior (com orifício); (c) imagens internas de diferentes padrões formados, com a imagem original destacada.

Fonte: O autor.

Experimento 3: Propagação retilínea da luz

Este experimento tem o objetivo de demonstrar como acontece a propagação linear dos

raios de luz e seu bloqueio por obstáculos.

A montagem do experimento é feita, inicialmente, construindo os cavaletes,

desenhando-se três retângulos iguais, de medidas de 10 cm x 15 cm, em papel cartão. Para

construir os cavaletes (suportes do experimento), em uma das extremidades de um dos

retângulos, é traçada uma linha pontilhada, formando outro retângulo de 10 cm x 5 cm (figura

3 (a)), e posteriormente, este é dividido ao meio e recortado até a linha pontilhada. Em seguida,

as pontas são dobradas, uma para trás e uma para frente, conforme a figura 3 (b), formando uma


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base quadrada de 5 cm x 5 cm. Dentro do quadrado de 10 cm x 10 cm é necessário desenhar

outro quadrado de 5 cm x 5 cm, com as seguintes dimensões: margens esquerda e direita de 2,5

cm; superior 2 cm e inferior 3 cm. Este segundo quadrado é recortado, de modo que fique

semelhante a uma “janela aberta”. As figuras 3 (a) e (b) ilustram a construção do cavalete. O

mesmo procedimento é repetido para os outros dois retângulos desenhados no papel cartão, de

modo a se obter três cavaletes.

Figura 3: (a) Medidas das dimensões para construção dos cavaletes; (b) cavalete montado; (c) - (d) execução do experimento “propagação retilínea da luz”.

Fonte: O autor.

Após a montagem do experimento, os três cartões (cavaletes) são alinhados sobre uma

mesa ou superfície horizontal, é colocada uma vela acesa em uma das extremidades, e o

observador posiciona-se na outra extremidade para visualizar o experimento (figura 3 (c)). Na

sequência, um dos cartões é retirado do alinhamento e é feita a observação, conforme a figura

3 (d).

Neste experimento é possível observar que a luz da vela propaga-se em linha reta,

porque no momento em que os três cavaletes estão alinhados, é observada a luz da vela do outro

lado (figura 3 (c)). Já no momento em que um dos cartões é retirado do alinhamento, a luz da

vela deixa de ser visível ao observador (figura 3 (d)), que acontece porque a luz incide no cartão

fora do alinhamento e não consegue passar através dele.

O princípio da propagação retilínea da luz, que diz que, em meios uniformes, a

propagação da luz ocorre em linha reta, consiste numa das bases fundamentais para o

delineamento dos raios de luz estudadas pela óptica geométrica (Gaspar, 2005).


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Experimento 4: Reflexão da luz

Este experimento tem como objetivo demonstrar a reflexão especular da luz e que seu

ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão.

A montagem experimental é muito simples, sendo traçada uma linha reta com a caneta

em uma folha sulfite, com o auxílio de uma régua, e colocado o espelho em cima desta linha,

de modo que ela o divida ao meio.

Após a montagem, incide-se um laser no ponto onde a linha traçada toca o espelho, e

varia-se o ângulo de incidência do laser no espelho, observando o que acontece.

Figura 4: Experimento “reflexão da luz” para diferentes ângulos de incidência e reflexão: (a) 0° e (b) 18°. As setas indicam a direção dos raios incidentes e refletidos.

Fonte: O autor.

Observa-se que os raios de luz do laser, ao incidirem no espelho, serão refletidos de

maneira regular (reflexão especular). Ao incidir um feixe de luz no espelho com determinado

ângulo de incidência, o feixe de luz será refletido na mesma proporção, ou seja, terá o mesmo

ângulo de reflexão (os ângulos são tomados com relação à normal à superfície). Este fenômeno

é conhecido como lei da reflexão (Halliday; Resnick; Walker, 2009), e pode ser observado nas

figuras 4 (a) e (b).

Experimento 5: A luz que faz curva

Este experimento tem como objetivo demonstrar o fenômeno da reflexão interna total

da luz.

Para a confecção deste experimento, com o auxílio de uma tesoura, é necessário fazer

um furo na garrafa PET onde, com cola quente, será fixado um canudo de 5 cm a uma altura de


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5 cm a partir da base da garrafa, aproximadamente, como na figura 5 (a). O canudo realizará

um comportamento valvular, permitindo a saída da água que deve ser colocada na garrafa.

Após a montagem do experimento, devemos incidir um laser no canudo em um ângulo

de 0° (zero grau) com o eixo do canudo (no mesmo sentido de saída da água), e o fenômeno

poderá ser visto, como na figura 5 (b). Para o enchimento da garrafa PET, utilizamos uma

vasilha com água, sendo que é preciso tampar a extremidade do canudo (podendo ser com o

dedo), liberando a passagem do filete de água pelo canudo somente quando o laser for incidido.

A realização do experimento em local escuro permite uma melhor visualização do fenômeno, e

deverá ser realizada sobre uma pia ou balde, para dar a destinação mais adequada à água já

utilizada.

Figura 5: (a) Montagem (com imagem ampliada na parte da garrafa onde é fixado o canudo) e (b) execução do experimento “a luz que faz curva”. A seta indica a direção de incidência do laser no

canudo.

Fonte: O autor.

No momento de incidência da luz do laser sobre o orifício do canudo, a luz que passará

pela abertura seguirá o mesmo trajeto da água, dando a aparência e formato curvo da figura 5

(b). Esse fenômeno é chamado de reflexão interna total, e acontece quando a luz incide sobre a

interface de dois meios transparentes, saindo do meio com o índice de refração maior, em

direção ao meio com índice menor, com um ângulo de incidência maior que um certo ângulo

crítico (ou ângulo limite) (Halliday; Resnick; Walker, 2009). O índice de refração, por sua vez,


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é uma grandeza que indica quantas vezes a velocidade de propagação da luz no vácuo é maior

que a velocidade de propagação da luz no meio (Gaspar, 2005). O fenômeno da reflexão interna

total explica o funcionamento das fibras ópticas, que são “tubos” de luz que a levam de um

lugar a outro através de uma série de reflexões internas totais, onde os raios luminosos são

refletidos sucessivamente ao longo das paredes internas da fibra, acompanhando o caminho que

existe (Torres et al., 2013).

Experimento 6: Entortando a luz com açúcar

Este experimento tem como objetivo demonstrar os fenômenos de refração, reflexão

parcial e reflexão interna total da luz de um laser incidindo em água com açúcar.

A confecção deste experimento consiste em inserir uma grande quantidade de açúcar

em um recipiente grande transparente com água, e deixar em repouso por, no mínimo, 24 horas,

sem agitar a mistura, para que o açúcar dissolva, formando camadas de diferentes concentrações

(o fundo do recipiente ficará mais concentrado). No nosso experimento em particular,

utilizamos 1 kg de açúcar em, aproximadamente, 30 L de água dentro de um aquário de 60 L.

Depois do composto já pronto (água e açúcar), é necessário apenas direcionar a luz do laser em

diferentes posições e angulações para visualizar diferentes fenômenos.

Quando a luz atinge uma superfície lisa separando dois meios homogêneos e

transparentes, em geral, a onda é parcialmente refletida e parcialmente transmitida para o outro

material. Ao passar para outro meio, ocorre uma mudança na velocidade de propagação da luz,

esse processo é chamado de refração da luz6 (Torres et al., 2013). Ao incidir a luz do laser

paralelamente e bem próximo ao fundo do aquário, a luz fica curvada, devido à variação do

grau de concentração de açúcar na água, que, por consequência, faz com que varie o índice de

refração do meio (água com açúcar), demonstrando, assim, refrações sucessivas (figura 6 (a)).

Na hora da visualização dos fenômenos ópticos, ao posicionarmos o laser em diferentes

ângulos, será possível a percepção da reflexão parcial da luz (figura 6 (b)). Ao aumentar o

ângulo de incidência da luz do laser na interface água e ar, chegando a um ângulo de incidência

6 O raio refratado tem um ângulo de refração θ2 que está relacionado ao ângulo de incidência θ1 pela lei de Snell: �� = ��, onde �� e �� são os índices de refração do meio do raio incidente e do raio refratado, respectivamente (Halliday; Resnick; Walker, 2009).


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maior que um certo ângulo crítico, visualiza-se o fenômeno de reflexão interna total (figura 6

(c)) (Halliday; Resnick; Walker, 2009), mesmo fenômeno observado no experimento anterior.

Figura 6: (a) Refrações sucessivas curvando a luz do laser; (b) reflexão e refração e (c) reflexão interna total da luz ao incidir um laser na água com açúcar. As setas indicam a direção de incidência

da luz do laser na solução em (a) e (b) e a direção de propagação do raio refletido em (c).

Fonte: O autor.

Experimento 7: Periscópio

Este experimento tem como objetivo demonstrar a reflexão especular da luz e a relação

do ângulo incidente com o ângulo refletido num instrumento óptico de simples construção.

A montagem desse experimento é bastante fácil, basta medirmos e dobrarmos o papel

cartão com as dimensões indicadas na figura 7 (a). São elas: papel cartão retangular de 32,8 cm

x 60,0 cm; abertura de 8,2 cm x 7,0 cm; dobras horizontais de 4,1 cm, 8,2 cm, 8,2 cm, 8,2 cm

e 4,1 cm; dobras verticais de 6,0 cm e 6,0 cm. Em duas dimensões as medidas das aberturas

devem ser ligeiramente maiores que a dos espelhos utilizados, neste caso os espelhos tinham

8,0 cm x 7,0 cm de tamanho. Após serem efetuadas as dobraduras, o periscópio fica em um

formato de paralelogramo (figura 7 (b)), com as duas aberturas onde serão fixados os espelhos

em faces opostas. Os dois espelhos devem ser colados com suas faces com um ângulo de 45°

com a normal, de forma que as faces dos espelhos fiquem paralelas entre si, voltadas uma para

a outra.


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Figura 7: (a) - (b) Montagem do periscópio; (c) periscópio em uso; (d) espelho no periscópio; (e)

imagem visualizada através do periscópio.

Fonte: O autor.

Após o periscópio estar montado, deve-se posicioná-lo “mirando” um dos espelhos das

aberturas em algum lugar “alto”, como em cima de um armário, por exemplo, e observar a

imagem no espelho da outra abertura. Este experimento demostra o fenômeno de reflexão

especular em espelhos planos, onde os raios incidentes atingem o primeiro espelho e são

refletidos em um segundo espelho, conduzindo os raios de luz até os olhos do observador.

Também mostra a relação entre o raio de luz incidente e o raio de luz refletido, onde o ângulo

de incidência da luz tem o mesmo valor do ângulo de reflexão do mesmo raio de luz. Este

fenômeno também é evidenciado nos experimentos “multiplicação de moedas” e “reflexão da

luz”.

Óptica física

Experimento 8: Decomposição da luz branca

Este experimento tem como objetivo demonstrar o fenômeno da dispersão da luz, e suas

relações com os comprimentos de onda da luz.

Ao montar este experimento, é necessário retirar o revestimento metalizado do CD. Para

isso, com o estilete, é feito um corte superficial na parte onde o CD é revestido, figura 8 (a), e


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cola-se a fita adesiva no revestimento, puxando em seguida, fazendo, assim, com que o

revestimento saia colado na fita, conforme a figura 8 (b). Após isso, deve-se acender uma vela,

que será utilizada como fonte de luz branca. Com a vela acesa e em local de baixa luminosidade,

deve-se segurar o CD, de maneira que suas faces (partes mais planas) fiquem entre a luz da vela

e os olhos do observador, parecendo com o modo de uso de uma lupa. Possivelmente sejam

necessários ajustes na posição (distância e angulação) do CD em relação ao feixe de luz, para

visualização das cores, como na figura 8 (c).

Figura 8: (a) Corte e (b) retirada do revestimento metálico do CD. (c) Execução do experimento “decomposição da luz branca”.

Fonte: O autor.

Ao visualizar a chama da vela através de qualquer um dos lados planos do CD, é possível

observar a decomposição da luz branca em diferentes cores, com seus respectivos

comprimentos de onda e frequência. Isso acontece porque o comprimento de onda da luz visível

é da mesma ordem de grandeza da distância entre as ranhuras (trilhas) do CD. Assim, o CD

funciona como uma rede de difração, onde cada comprimento de onda é difratado de maneira

específica, adquirindo um ângulo diferente na variação da direção, e assim enxergamos o

espectro contínuo das cores (Catelli; Libardi, 2010). Esse desvio acaba separando as cores no

CD e agrupando as ondas com comprimentos semelhantes, que correspondem a cores também


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semelhantes, formando um padrão em forma de faixas circulares. Esse fenômeno de

decomposição da luz branca nas cores do seu espectro, que são as cores do arco-íris, é conhecido

como dispersão da luz (Barreto Filho; Silva, 2013).

Como visto nos experimentos anteriores, a luz pode ser desviada de sua trajetória

retilínea de propagação por meio dos fenômenos ópticos de reflexão e refração, e agora, neste

experimento, por difração. A difração é o encurvamento dos raios luminosos ao passarem pela

borda de um objeto ou uma abertura, neste caso, as ranhuras de um CD. O grau de difração

depende do comprimento de onda da luz em relação ao tamanho da obstrução ou abertura do

objeto de difração (Hewitt, 2015).

Experimento 9: Interferência e difração da luz

Este experimento tem como objetivo demonstrar o comportamento ondulatório da luz,

através dos fenômenos de difração, interferência destrutiva e interferência construtiva.

Primeiramente, deve-se montar um suporte, onde será “acoplado” o fio de cabelo, que

servirá de obstáculo de difração no momento da incidência da luz do laser. Essa montagem

consiste simplesmente em colar, usando fita crepe, dois CDs, de modo que suas partes planas

fiquem perpendiculares entre si, e, em seguida, prende-se com fita crepe, o fio de cabelo no

centro do CD (neste caso, na posição vertical), figura 9 (a). Após a sua montagem, o aparato

deve ser colocado em um local onde possa receber a luz do laser, sendo que o feixe de luz

emitido pelo laser deverá incidir sobre o cabelo, passando pelo orifício do CD, sendo refletido

na parede, evidenciando o fenômeno da interferência na luz, como pode ser visto na figura 9

(c).

A projeção da luz do laser na parede demonstra o processo de interferência de ondas

eletromagnéticas, onde a luz é projetada em forma de uma “linha horizontal” seccionada. A

interferência se dá, nesse experimento, de duas formas: a primeira é a forma construtiva, onde

as ondas se somam gerando as secções de luz que chamam-se pontos de máximo; a outra

característica resultante da interferência perceptível nesse experimento é a interferência

correspondente à parte seccionada onde não se projeta a luz do laser na parede, que é chamada

de interferência destrutiva, pois nessa interferência as ondas de luz se anulam, formando pontos

de mínimo (Gaspar, 2011).


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Figura 9: (a) Montagem do experimento “interferência da luz” (ampliando a imagem do fio de cabelo no centro do CD, para melhor visualização, e indicando a direção de incidência da luz com as setas); (b) montagem do suporte do experimento; (c) padrão de interferência da luz visualizado na parede.

Fonte: O autor.

A interferência de luz é possível, nesse caso, devido ao processo de difração que ocorre

quando a luz do laser passa pelo fio de cabelo, que possui uma espessura verificada

experimentalmente de 5,19×10-5 metros7. O fenômeno de difração consiste no “contorno” que

as ondas de luz fazem em determinado obstáculo, fazendo com que os raios de luz encurvem-

se e se projetem, tendo uma pequena variação angular em seu trajeto. No momento que o fio de

cabelo “corta ao meio” e divide o feixe de luz em dois, surge uma variação de ângulo decorrente

da difração, e esses dois feixes de luz formados percorrerão trajetos diferentes. Em

determinados momentos, as ondas provenientes dos raios de luz estarão totalmente em fase, e

elas se somarão, e em outros momentos elas estarão defasadas e se anularão, dando origem

assim a seus pontos de máximo e de mínimo (Gaspar, 2005), que podem ser vistos em um

padrão como o da figura 9 (c).

Experimento 10: Espalhamento da luz

Este experimento tem como objetivo demonstrar o espalhamento da luz e relacioná-lo

com um fenômeno natural (cor do céu).

Na montagem desse experimento deve-se adicionar a água dentro da garrafa PET, e em

seguida, devemos colocar o leite, apenas para que a água fique “meio” turva, dando origem a

7 Maiores detalhes de como calcular o diâmetro de um fio de cabelo por difração podem ser encontrados na referência (Lopes; Laburú, 2004).


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uma solução. Com a garrafa posta em local de baixa luminosidade, devemos acender nossa

fonte de luz (uma lanterna), e posicioná-la de maneira que o feixe de luz incida na solução.

Figura 10: (a) Luz incidindo na solução em um ângulo de 180° em um plano horizontal, em relação ao observador. (b) Fenômeno visto de um ponto de ângulo de aproximadamente 90° em relação ao

feixe de luz de uma lanterna (com sua direção de incidência indicado pela seta).

Fonte: O autor.

Ao incidir sobre a solução, a luz se espalha, sendo que as partículas dessa solução

acabam refletindo a luz em todas as direções por todo o líquido, com maior ou menor

intensidade. Existe uma relação de dependência do tamanho do comprimento de onda da luz

com a intensidade de seu espalhamento, dada pela relação matemática:

4

1.

kI ,

onde I é igual à intensidade do espalhamento, k é uma constante de proporcionalidade, e λ é o

comprimento de onda. Essa relação matemática demonstra que a luz de comprimento de onda

maior possui uma menor intensidade de espalhamento. De acordo com o espectro da luz visível,

a luz vermelha tem comprimento de onda de aproximadamente 720 nm, sendo bem maior que

o comprimento da luz violeta, que possui em torno de 400 nm. Por isso, o espalhamento da luz

de comprimento de onda próximo ao correspondente da cor violeta é muito maior do que o

espalhamento da luz de comprimento de onda próximo ao da cor vermelha. Esse fato é

perceptível quando se muda o ângulo de observação do experimento. Quando o experimento é

observado em um ângulo de 90° entre o observador e feixe de luz em um plano horizontal

(figura 10 (b)), percebemos que o espalhamento da luz no líquido possui uma cor em uma


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tonalidade mais azulada. Quando olhamos para o experimento em um angulo de 180° no mesmo

plano horizontal (figura 10 (a)), percebemos uma cor menos azulada e mais amarelada. Isso

acontece porque, nesse caso, a luz próxima ao comprimento de onda da cor azul possui um

melhor espalhamento e as correspondentes ao comprimento próximo à cor vermelha espalham

menos, incidindo diretamente nos olhos ou na câmera (no caso da figura 10 (a)), dando ao

observador uma imagem mais alaranjada, amarelada. Esse fenômeno se relaciona e explica o

motivo de que, quando olhamos para o céu, enxergamos ele azul, e se olharmos em linha reta

em direção ao sol, vemos sua luz mais amarelada (Krapas; Santos, 2002).

Conclusões

Com a realização dos experimentos descritos neste trabalho, torna-se possível a

observação de diferentes fenômenos ópticos envolvidos na propagação de luz em variados

meios: reflexão, refração, reflexão interna total, interferência, difração, dispersão e

espalhamento. Através desses experimentos de óptica, observa-se que a luz sofre reflexões em

diversas direções, e nos casos onde ocorre a reflexão interna total, foi demonstrado o princípio

de funcionamento dos cabos de fibra óptica. Adicionalmente, é demonstrado o caráter

ondulatório da luz, através de fenômenos como interferência e difração, a propagação retilínea

da luz e diferentes comprimentos de onda na composição da luz branca. Desta forma, fica

evidente a possibilidade de demonstração de conceitos de óptica física e geométrica através da

utilização de materiais de baixo custo ou fácil acesso, de maneira fácil e criativa, sem a

necessidade de um laboratório didático ou materiais sofisticados.

É esperado, com a proposição da construção do kit de experimentos de óptica com

materiais de fácil acesso, contribuir com estudantes e professores de escolas que não contam

com um laboratório didático de física, no desenvolvimento de atividades experimentais.

Almeja-se, com isso, auxiliar o processo de ensino/aprendizagem de óptica e a consolidação de

uma aprendizagem mais significativa. Neste contexto, deseja-se que os experimentos propostos

possam inspirar e motivar professores do ensino médio na inserção de atividades experimentais

no ensino de física, contribuindo com a melhoria da qualidade da educação básica.


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Agradecimentos

Os autores agradecem à Fundação Araucária, ao CNPq e UFFS pelo auxílio financeiro

através de bolsa de iniciação científica, Editais N° 496/GR/UFFS/2018 e N°

398/GR/UFFS/2017.

Referências

ARAÚJO, M. S. T.; ABIB, M. L. V. S. Atividades experimentais no ensino de física: diferentes enfoques, diferentes finalidades. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 25, n. 2, p. 176-194, 2003. BARRETO FILHO, B.; SILVA, C. X. Física na aula por aula: mecânica dos fluidos terminologia, óptica. São Paulo: editora FTD, 2013. v. 2, p. 304. CATELLI, F.; LIBARDI, H. CDs como lentes difrativa. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 32, n. 2: p. 2307-1- 2307-6, 2010. COSTA, L. G.; BARROS, M. A. O ensino da física no Brasil: problemas e desafios. XII Congresso Nacional de Educação (EDUCERE), p.10981-10989, 2015. GASPAR, A. Compreendendo a física. São Paulo: editora Ática, 2011. v. 2, p. 448. GASPAR, A. Física série Brasil. São Paulo: editora Ática, v. único, p. 552, 2005. GATTI, B. A., Formação de professores: condições e problemas atuais. Revista Internacional de Formação de Professores (RIPF) 1, n.2: p.161-171, 2016. HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J., Fundamentos da Física: Ótica e Física Moderna. São Paulo: editora LTC, 2009. v. 4, p. 299. HEWITT, P. G. Fisica conceitual. Porto Alegre: editora Bookman, 2015. v. único, p 441. KRAPAS, S.; SANTOS, P. A. M. Modelagem do espalhamento Rayleigh da luz com propósitos de ensino e de aprendizagem. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 19, n. 3: p. 341-350, 2002. LEIRIA, T. F.; MATARUCO, S. M. C. O papel das atividades experimentais no processo ensino-aprendizagem de física. II Congresso Nacional de Educação (EDUCERE), p.32214-32227, 2015. LEITE, Y. U. F. O lugar das práticas pedagógicas na formação inicial de professores. São Paulo: editora UNESP, 2011. v. único, p. 104. LOPES, E. M.; LABURÚ, C. E. Diâmetro de um fio de cabelo por difração (um experimento simples). Caderno Brasileiro de Ensino de Física, v. 21, n. especial: p. 258-264, 2004. OMELCZUCK, R. S. de A.; SOGA, D.; MURAMATSU, M. 200 anos de caleidoscópio. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 39, n. 3, p. e3602-1- e3602-9, 2017.


21

PARANHOS, M. C. R. et al. Metodologias ativas no ensino de física: uma análise comparativa. Revista UNILUS ensino e pesquisa, v. 14, n. 36, p. 124-131, 2017. RIBEIRO, J. L. P. Construção geométrica e demonstração experimental da formação da “imagem ciclópica” em uma associação de dois espelhos planos. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 36, n. 4, p. 4401-1-4401-7, 2014. SILVA, J. C. X.; LEAL, C. E. S. Proposta de laboratório de física de baixo custo para escolas da rede pública de ensino médio. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 39, n 1: p. e1401-1- e1401-5, 2017. THOMAZ, M. F. A experimentação e formação de professores de ciências: uma reflexão. Caderno Catarinense de Ensino de Física, v. 17, n. 3, p. 360-369, 2000. TORRES, C. M. A. et al. Física: ciência e tecnologia 2: Termologia, Óptica e Ondas. São Paulo: editora Moderna, 2013. p. 272.

construÇÃo de um kit de experimentos de Óptica com

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