Instrumentos ópticos - Apostilas - Engenharia de Materiais, Notas de estudo de Ciência dos materiais

Baixe Instrumentos ópticos - Apostilas - Engenharia de Materiais e outras Notas de estudo em PDF para Ciência dos materiais, somente na Docsity! Professor: Celso de Araújo Duarte Horário da Aula:6ª 09:30 Instrumentos Ópticos C.J. Lugarini, R.A. D. da Luz, T. M. Coelho Universidade Federal do Paraná Centro Politécnico – Jd. das Américas – 81531-990 – Curitiba – PR - Brasil Resumo. Este relatório apresenta princípios fundamentais de alguns instrumentos ópticos e seu funcionamento através da óptica geométrica, de forma que seja possível analisar a formação de imagens para lentes convergentes, caracterizando estas imagens obtidas, a sua ampliação linear e determinando a distância focal para estas lentes estudadas experimentalmente. Introdução Um dos principais objetivos da física moderna é descobrir as leis que governam o comportamento da luz. Um objetivo mais amplo é encontrar aplicações práticas para estas leis; a aplicação mais importante é provavelmente a produção de imagens (HALLIDAY; RESNICK; WALKER. 1916 p.37). Para que se possa visualizar um objeto, é preciso que os olhos interceptem alguns dos raios luminosos que partem do objeto e os redirecionem para a retina, no fundo olho, onde ocorre a formação da imagem. O sistema visual executa este processamento mesmo que os raios luminosos não venham diretamente do objeto, mas sejam antes refletidos por um espelho ou refratados pelas lentes de um instrumento óptico, neste caso tendo-se a impressão que o objeto se encontra na direção onde se encontra o espelho ou a lente, e a distância percebida pode ser bem diferente da distância real. Quando os raios luminosos de um objeto são refletidos por um espelho plano, por exemplo, tem-se a impressão de que o objeto se encontra atrás do mesmo. Naturalmente, não existe nenhum objeto atrás do espelho, este tipo de imagem é chamado de imagem virtual e não pode ser projetada em um anteparo, pois ela existe apenas no cérebro, embora pareça existir de fato. As imagens virtuais produzidas por lentes ficam do mesmo lado do objeto. As imagens reais produzida por lentes ficam do lado oposto do objeto, e podem ser projetadas em uma superfície, como um monitor ou uma tela de cinema. Através dos conhecimentos da óptica, pode-se determinar e explicar o caminho dos raios luminosos nos meios transparentes. Essas leis são à base do conhecimento para construção de instrumentos ópticos, como lentes de óculos, microscópios, lunetas, etc. Nestes instrumentos a luz é levada a percorrer um caminho bem-determinado. Os instrumentos ópticos são constituídos por lentes esféricas e elas têm a propriedade de produzir imagens ampliadas ou reduzidas de objetos externos. As lentes podem ser classificadas basicamente de duas maneiras. Uma lente que faz com que os raios luminosos inicialmente paralelos ao eixo central se aproximem do eixo é chamada de lente convergente; uma lente que faz com que os raios se afastem do eixo central é chamada lente divergente. (HALLIDAY; RESNICK; WALKER. 1916 p.47). Os objetivos deste trabalho foram estudar a formação de imagens com lentes convergentes, caracterizando assim essas imagens, além de determinar qual foi a ampliação da imagem. Para uma lente qualquer é possível determinar a forma e a localização da imagem recorrendo apenas para à lei de refração e aos conhecimentos da forma da lente e do seu índice de refração. No caso particular das lentes esféricas existe uma relação muito simples que pode ser utilizada para determiná-la tanto a localização das imagens tanto a ampliação obtida. A equação mencionada, conhecida como equação fundamental das lentes, é a seguinte: (1) Onde é a distância focal da lente, do é à distância do objeto até a lente e di é à distância da lente a imagem Quando a lente é convergente e a distância está compreendida entre f e 2f encontra-se no alvo uma imagem real, invertida e ampliada do objeto em questão. Nesse caso o sistema comportasse como um projetor e a ampliação obtida é dada por: (2) A ampliação angular (mo) de uma lente de aumento simples é definida como a razão entre o ângulo ocupado pela imagem (θi) produzida pela lente o ângulo ocupado pelo objeto (θo) quando o objeto se encontra nas proximidades do ponto próximo ao observador. (HALLIDAY, 1916, P. 54). (3) A relação entre o tamanho do objeto (O) e o tamanho da imagem (I) é chamada de ampliação lateral, é representada por (m). Está expressão é dada por: (4) Para uma melhor compreensão de dados no gráfico foi usado o método dos mínimos quadrados para a linearização a formula do calculo é dado por: (5) Para este estudo utilizamos alguns instrumentos ópticos, esses instrumentos são divididos em dois principais grupos, os instrumentos de objetivo ou de projeção e os instrumentos subjetivos ou de visão direta. No estudo foram verificados o funcionamento de alguns instrumentos ópticos (aparelhos que representam o funcionamento de um instrumento na realidade) como a luneta, o microscópio, o projetor e a associação de lentes. A seguir estes instrumentos são melhor explicados. Microscópio: Microscópio é o instrumento que serve para ampliar, com a finalidade de observação, a imagem de objetos minúsculos. A imagem pode ser formada por meios ópticos, acústicos ou eletrônicos e recebida por reflexão, processamento eletrônico ou por uma combinação dos dois métodos. A parte ótica do microscópio é constituída basicamente de duas lentes convergentes, a objetiva, com menor distancia focal, que está próxima do objeto e a ocular, com distancia focal maior, que é com a qual observamos a imagem formada. Projetor: Um projetor de slides (diapositivos) serve para projetar em uma tela uma imagem real e aumentada do objeto que está no slide. Basicamente, ele é constituído de uma lente convergente, como objetiva, e uma lâmpada cujo filamento está situado no centro de curvatura do espelho côncavo que juntos servem para iluminar com bastante intensidade o slide. Luneta: A luneta ou telescópio de refração é utilizada para observar objetos distantes. A luneta astronômica tem, como o microscópio, duas lentes convergentes: a objetiva que ao contrário do microscópio apresenta grande distância focal e a ocular com distancia focal menor. A luneta terrestre é igual a astronômica mais a imagem obtida é direita. Associação de lentes: Conjunto de lentes associadas para se verificar como as imagens são formadas. A aberração cromática é um dos problemas que podem ocorrer quando a luz passa por uma lente. Como o índice de refração das lentes varia com o comprimento de onda, uma lente real nao focaliza todas as cores num mesmo ponto. Há a formação de imagens não nítidas, manifestando cores não naturais A luz quando passa por uma lente sofre um desvio e cada onda da luz (onda de cada cor da luz) é desviada de forma diferente e nos causa problemas, ocasionando formação de imagens não nítidas e com cores não naturais. Esse problema pode ser encontrado na fotografia, onde as luzes vermelhas e azuis, sofrem um maior desvio ocasionando alguns problemas nas fotos. Outro problema são as aberrações esféricas, onde as lentes e espelhos verdadeiramente esféricos não formam imagens perfeitas. Procedimento Experimental Parte 1: Projetor Monte sobre o banco óptico uma fonte de luz em uma das extremidades do banco óptico e na outra extremidade o anteparo, entre a fonte e o anteparo posicione, inicialmente, uma lente convergente de 75 mm de distância focal conforme a Figura 1. Coloque o objeto (“Crossed Arrow Target”) em 8 posições diferentes entre a distância f e 3f. Para cada distância verificar no anteparo como fica a imagem formada. Depois de verificar a formação da imagem meça a distância da lente ao anteparo (di), a distância entre a lente e o objeto (do), o tamanho do objeto (O) e o tamanho da imagem (I). Explicitar todas as incertezas medidas. A figura abaixo exemplificará como deve ser feita a montagem do equipamento. Figura 1 – Montagem do projetor de imagens. Verifique o que ocorre com a imagem quando a distância objeto-lente é menor e maior que o dobro da distância focal. Repita o procedimento para uma segunda lente convergente de distância focal igual a 150mm, verifique e anote respectivamente a formação da imagem no anteparo e as distâncias lente-anteparo (di), lente-objeto (do) e tamanho da imagem (I) para apenas duas posições do objeto. Parte 2: Associação de lentes Utilize a base da montagem anterior (Figura 1), mas no lugar do anteparo coloque uma lente convergente com distância focal igual a 15cm, obtendo assim um sistema de lentes onde a imagem formada na primeira lente servirá de objeto para a segunda lente. Varie a distância de separação entre as lentes e objeto-lente e observe as imagens formadas, obtenha uma configuração que permita visualizar uma imagem final real e uma virtual. Anote os valores das distâncias de cada lente, as distâncias focais de cada lente, a posição das imagens intermediaria e final. Parte 3: Microscópio Monte a fonte de luz, o objeto, as duas lentes convergentes e o anteparo sobre o banco óptico conforme a Figura 2. Posicione as lentes com distância focal igual a 7,5cm e 15cm respectivamente, como objetiva e ocular. Figura 2 – Montagem do Microscópio. Ajuste o objeto em relação a objetiva de modo que a distância entre eles seja maior que a distância focal da lente. Olhe através da ocular na direção da fonte de luz com a ajuda de um filtro colorido, configure a posição da ocular até obter uma imagem definida do objeto. Meça a distância entre o objeto-objetiva e a distância entre as lentes. Verifique se a imagem formada é ampliada ou reduzida. Compare a ampliação anterior apenas com a lente de +75 mm (retire a lente de +150 mm). Posicione a lente de +150 mm e olhando através da ocular, mova lentamente a lente objetiva na direção do objeto. Se for necessário, faça ajustes na posição da ocular para melhorar a nitidez da imagem e verifique o que ocorre com a ampliação da imagem à medida que a objetiva se aproxima do objeto. Agora, posicione o anteparo entre as duas lentes, deslocando-o ate obter uma imagem nítida e verifique aonde se forma a imagem produzida pela primeira lente. Anote e meça respectivamente, as características da imagem e a distância entre o anteparo e a segunda lente. A montagem do microscópio nada mais é que um sistema de lente, onde a imagem da primeira lente serve de objeto para a segunda lente. Parte 4: Luneta Coloque sobre o banco óptico apenas as lentes com distância focal igual a 15cm e 7,5cm conforme mostra a Figura 3. Figura 3 – Montagem da Luneta