sexta-feira, 19 de agosto de 2011

Espelho, espelho meu - Experimentos sobre Espelhos Planos e Óptica geométrica

Estes experimentos foram realizados entre os dias 18 e 26 de outubro de 2010, durante o projeto de física "Óptica - Um mundo de luz e cores diante dos nossos olhos", ministrado por mim e pelas minhas colegas de faculdade Cassiana Alves e Silvana Pacheco, juntamente com os alunos da Escola Estadual de Ensino Médio Maria Teresa Vilanova Castilhos (Polivalente). Assim como o experimento Teatrinho Mágico,  já postado aqui anteriormente.


Princípio da Propagação Retilínea da Luz

            Um objeto se torna visível quando a luz emitida ou refletida por ele chega até os nossos olhos. Quando entramos em um ambiente desconhecido e escuro, não conseguimos, apenas através da visão, identificar os objetos que lá estão. Assim, a luz é essencial no processo da visão. É ela que nos permite reconhecer os objetos, bem como suas características quanto à forma, ao tamanho, à cor ou a textura, sem que precisemos tocá-los. Já sabemos que a luz é uma radiação eletromagnética, que ocupa uma pequena faixa do espectro eletromagnético. Porém podemos ver a luz, sabemos como ela é, e como ela se propaga?


Luz no fim do túnel

Concepção Intuitiva:
  1. Como a luz se propaga?
  2. Por que pintamos as paredes internas dos ambientes de branco?
Aluna participando da atividade

Materiais:
Espelho plano;
2 tubos de PVC de 2,5cm a 5cm;
Parafusos pequenos;
Dobradiça;
Lanterna;

Passo a Passo:

Fixe a dobradiça nos dois tubos com os parafusos, de modo a poder variar o ângulo entre eles. Coloque os tubos em “v”, com o espelho plano próximo as duas extremidades em contato. Encaixe a lanterna acessa num dos tubos, mantido fixo, e variando o ângulo entre eles, acompanhe o que acontece olhando através do outro tubo.

Dica:
Tampe o espelho com uma folha de papel branco e descubra a função da pintura das paredes na iluminação dos ambientes (reflexão difusa)

Os espelhos planos são aqueles caracterizados por apresentar uma superfície plana e polida onde a luz que é incidida e reflete de forma regular. Ainda podemos afirmar que no caso dos espelhos planos, o raio incidente, o raio refletido e a normal à superfície situam no mesmo plano e o ângulo de reflexão e o de incidência possuem a mesma medida. Por isso vemos a “luz no fim do túnel”.
Os benefícios da pintura de ambientes internos e externos de branco, se deve ao fato da luz se propagar nesses meios de forma aleatória. Como a maioria das superfícies dos objetos não são microscopicamente lisas, a reflexão difusa ocorrerá, ou seja, o ambiente será bem. Cada raio da luz que cai em uma partícula pequena da superfície obedecerá a lei básica da reflexão, mas como as partículas são orientadas aleatoriamente, as reflexões são distribuídas aleatoriamente.
Como veremos no experimento onde a folha de papel representará as paredes de uma casa, o cano será totalmente iluminado pela incidência da luz em uma superfície não-lisa, que se refletirá o branco do papel. Portanto pintar telhados e paredes de branco pode fazer com que até 90% da luz incidente seja refletida, já que a tinta dessa tonalidade rebate de 50 a 90% dos raios solares. O professor de Física das Construções da USP, Racine Prado, diz que: “O branco reflete 90% da radiação solar”.


Pente Refletivo

Materiais:
Pente;
Lanterna;
Lápis ou Caneta;
Espelho Plano;
Papel;
Transferidor;
Laser;
Pó de giz.


Atividade comprova o princípio da
propagação retilínea da luz

Passo a Passo:
Um espelho é colocado na posição vertical em contato com a superfície de uma mesa. Em sua frente, coloca-se um pente com os dentes encostados na mesma superfície. Posiciona-se uma lanterna de modo que as sombras produzidas pelos dentes do pente atinjam o espelho fazendo sombra na superfície, tanto quando incide no espelho, como quando refletem. Para conferir a lei da reflexão coloque um papel na superfície da mesa, em baixo do espelho e do pente. Risque o papel com um lápis na base do espelho. Risque a trajetória de um dos raios que saem do pente e são refletidos pelo espelho. Observe que no papel aparecerá a trajetória de um dos feixes de luz. É possível medir com um transferidor os ângulos de incidência e reflexão e constatar que eles são iguais.

Usando uma fonte-laser, podemos ver o caminho seguido pelos raios luminosos. Observe o que acontece quando colocamos pó de giz no caminho do feixe luminoso. O feixe de luz passa a ser espalhado pelas partículas de giz, tornando-o invisível.
A partir das situações exploradas podemos generalizar afirmando que, “em meios homogêneos a luz se propaga em linha reta”. Essa afirmação consiste no princípio da propagação retilínea da luz.

O milagre dos peixes

Concepção Intuitiva:
  1. Como se formam as imagens em espelhos planos?
  2. Quando estamos entre dois espelhos planos paralelos, quantas imagens podemos ver?
  3. É possível contar o número de imagens que se formam?

Materiais:
4 pregadores de roupa;
2 espelhos planos idênticos;
Estilete;
Esponja de lã de aço de uso doméstico;
Peixinho de plástico;
Vidro transparente com dimensões semelhantes as dos espelhos.

Passo a Passo:
Coloque um dos espelhos sobre uma toalha para não arranhá-lo. Faça uma pequena abertura de 5 a 8mm de diâmetro nas costas do espelho, bem no centro dele. Para isso raspe a superfície com o estilete e depois use a esponja para dar um acabamento. Deixe os espelhos paralelos na vertical, um de frente para o outro, utilizando os pregadores como suporte. Coloque o peixinho entre os espelhos. Através da abertura conte o número de imagens formadas. Substitua o espelho com a abertura pelo vidro. Num ambiente escuro, ilumine o vidro com uma lanterna e veja o que acontece.
 
Experimento impressiona os alunos
pela infinidade de imagens formadas

Um espelho plano forma, de um objeto real, uma imagem virtual, direita, do mesmo tamanho e simétrica. A distância do objeto ao espelho é igual a distância da imagem ao espelho. Quando nos vemos num espelho plano, estamos vendo a imagem real projetada em nossa retina pelo sistema de lentes do olho e o tamanho da imagem varia com a distância ao espelho plano. Quando nos afastamos do espelho plano vemos nossa imagem menor. Os raios que partem de um objeto, diante de um espelho plano, refletem-se no espelho e atingem nossos olhos. Assim, recebemos raios luminosos que descreveram uma trajetória angular e temos a impressão de que são provenientes de um objeto atrás do espelho, em linha reta, isto é, mentalmente prolongamos os raios refletidos, em sentido oposto, para trás do espelho.

            Se dois espelho forem colocados a 90°, veremos três imagens de um objeto colocado na bissetriz do ângulo. Se o ângulo entre os espelhos for 60°, vemos 5 imagens.
No caso do nosso experimento o ângulo é ainda menor, 0° (neste caso os espelhos são colocados paralelamente um ao outro). O resultado é impressionante: vemos um enorme número de imagens do peixinho colocado entre os espelhos!
Quando colocamos o peixinho entre dois  espelhos paralelos, vemos a primeira imagem de frente, a segunda de costas, a terceira de frente, e assim sucessivamente. Teremos infinitas imagens com a imagem de um espelho servindo de objeto para o outro e assim sucessivamente.
  
Fantasma atrás do espelho

Experimento mostra que a imagem
formada em espelhos planos tem o
 mesmo tamanho do objeto

Quando nos olhamos através de um espelho plano, somos capazes de observar uma imagem nítida de nós mesmo. Se olharmos com mais atenção, poderemos ver que tanto nós quanto a nossa imagem nos encontramos à mesma distância da superfície do espelho.
É bem simples entender isso: se você está escovando os dentes a 40cm do espelho, a sua imagem estará a 40cm dentro do espelho.
Materiais
•      Um espelho plano retangular;
•      Dois objetos idênticos como dois lápis ou duas canetas;
•      Folha de papel em branco;
•      Lápis, régua, transferidor;
•      Local plano, como uma mesa.
 
Alunos se divertiram com a atividade
Inicialmente, os alunos do grupo deverão colocar uma folha de papel sobre a mesa e marcar uma reta e um ponto. Em seguida, eles irão colocar sobre a reta o espelho, e sobre o ponto um dos objetos. Um dos alunos ficará segurando esses objetos, de forma perpendicular ao plano da mesa. A pessoa que estiver olhando para o espelho deverá posicionar o outro objeto atrás do espelho de modo que ele se encaixe perfeitamente com a imagem do primeiro. Quando a posição ideal for encontrada, o terceiro aluno deverá marcar na folha de papel a posição do objeto atrás do espelho e a posição do olho da pessoa.

Um outro aluno olhará para o espelho com apenas um olho aberto, mais ou menos no plano da mesa, sem estar alinhado com o objeto. A pessoa que está olhando o espelho deverá marcar na linha do espelho o ponto onde vê a imagem. Após a marcação pode-se retirar os aparatos da folha. Com este experimento mostraremos que a distância do objeto para o espelho é a mesma da imagem ao espelho, e que a imagem tem o mesmo tamanho do objeto.

Associação de espelhos planos
Associando espelhos em 90°
formam-se 3 imagens
Um espelho plano dá apenas uma imagem de cada objeto. Unindo-se dois espelhos planos, de fato que eles formam um ângulo entre si, notam-se duas ou mais imagens. O número de imagens é resultado de várias reflexões nos dois espelhos, e aumenta conforme diminui o ângulo entre eles. Dertemina-se o número de imagens através da fórmula:
onde n é o número de imagens formadas e α o ângulo formado entre os espelhos.

Caleidoscópio
 Um caleidoscópio ou calidoscópio é um aparelho óptico formado através da associação de espelhos planos, em forma de um prisma triangular. Através do reflexo da luz exterior nos espelhos inclinados, apresenta, a cada movimento, combinações variadas e agradáveis de efeito visual.
O nome "caleidoscópio" deriva das palavras gregas καλός (kalos), "belo, bonito", είδος (eidos), "imagem, figura", e σκοπέω (scopeο), "olhar (para), observar".

Materiais:
Espelhos planos no formato 4cmx15cm;
Fita adesiva.

Periscópio
 
Construindo o Periscópio

Periscópio é um instrumento óptico utilizado pelos submarinos, que possibilita enxergar o que acontece sobre o nível do mar. Eleva o campo visual a uma determinada altura. Sua aplicação vai desde olhar por  cima do muro até observar um desfile nos dias festivos, com toda uma multidão pela frente a atrapalhar sua visão direta.


Materiais:

Cartolina preta ou papelão recoberto com papel preto;
2 espelhos planos comuns de 9 cm por 14 cm;
Régua;
Tesoura;
Cola.

Passo a Passo:

Aluna observando as imagens
formadas no periscópio
Obter a cartolina preta (ou papelão) e cortá-la nas medidas 43 cm por 66 cm. Traçar as linhas de referência e cortar a cartolina nas regiões indicadas em amarelo. Vincar a cartolina segundo as linhas marcadas em vermelho. Fechar a dobradura e observar se houve alguma falha nos cortes ou nos vincos e apreciar como deverá ficar a montagem final. Colocar os espelhos no interior da montagem, ajustando-o  para a inclinação correta; verificar o funcionamento mesmo antes de colar a última face da caixa. Usar cola ou fitas adesivas para fixar tanto o espelho nas laterais internas da caixa como para o fechamento final da caixa.

              Por que vemos a imagem como ela realmente é no periscópio e não invertida como em um espelho plano?
A associação de espelhos planos nos permite construir vários aparelhos. Um deles, didaticamente bastante interessante, é o periscópio. Sua aplicação vai desde 'olhar por  cima do muro' até observar um desfile nos dias festivos, com toda uma multidão pela frente a atrapalhar sua visão direta.

Imagem formada no periscópio
 é simétrica ao objeto

Este modelo didático tem como princípio básico a reflexão da luz.
Os espelhos planos fornecem, a partir da luz proveniente de um objeto real, uma imagem virtual, do mesmo tamanho do objeto e simétrica ao objeto, em relação ao espelho.

No periscópio temos dois espelhos planos associados de modo que suas faces refletoras são paralelas. O raio de luz reflete-se no primeiro espelho, reflete-se no segundo e sai na mesma direção do raio incidente original. Esse é o princípio de funcionamento do periscópio.
 

3 comentários:

  1. Professor gostei muito do seu blog!! Adotei seu trabalho da Física em Quadrinhos! Professora Milena.

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  2. Obrigado por ajudar, estou no 9° ano e tenho um seminário a fazer com este tema, valeu msm!

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  3. Gostei bastante, preciso fazer um trabalho de ciências e encontrei a minha solução 💙

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