Cirrus.Ciências: Física Experimental I (ÓTICA)   Eletromagnetismo e Ótica  Introdução à Física Quântica  Física Moderna I e Física Moderna II    Outros materiais de apoio    Curiosidades e atividades lúdico-cientí­ficas tt  
   Fenix    Moodle     PL21 FE III 2021  

What you have been obliged to discover by yourself leaves a pitch in your mind which you can use again when the need arises.

Georg Christoph Lichtenberg (1742 - 1799), primeiro professor de física experimental na Alemanha.

PL21 Física Experimental III
2020-2021, 2.º Semestre
Horário: Quarta-feira, 9h00-13h00
Professor: José Figueiredo

Calendarização (moodle)    
Apresentação (teórica)     

E1: Ótica geométrica
E2: Instrumentos óticos, difração e interferência
E3: Corda vibrante; modos estacionários
E4: Propagação de ondas EM num cabo coaxial 31/03/21
E5: Corpo negro; lei de Stefan-Boltzmann e distribuição espectral da radiação
E6: Níveis atómicos e espectros de emissão de gases; lâmpada de H2, constante de Rydberg

Folha de resumo dos resultados.

Notação científica

Potências de dez, ordens de grandeza e algarismos significativos (medições, página 5, muito bom) 

Erros e algarismos significativos Erros

Sim, os números (também) (podem) mentem (mentir) 

Sistema Internacional de Unidades (SI) - Regras de escrita de grandezas e de unidades SI  

Evaluation of measurement data — Guide to the expression of uncertainty in measurement,
Bureau international des poids et mesures (BIPM)

E6. Níveis atómicos e espectros de emissão de gases; lâmpada de H2, constante de Rydberg  
E6. Níveis atómicos e espectros de emissão de gases; lâmpada de H2, constante de Rydberg 

teórica; experiência; realização experimental;

Outros materiais de apio:

Experiência a realizar em casa: Construção de um espectrómetro - ver:

Perspetivas históricas:
Produzir ondas  Átomos e luz

 E6: Conceitos relevantes a rever/reter:
- Como se produz luz?
- Emissão e absorção de luz pela matéria
- Formas de interação da radiação com matéria
- Luz monocromática e luz policromática
- Espectros contínuo e descontínuo.
- Dispersão vs difração e espalhamento
- Prisma e rede de difração  
-Goniómetro, Espectroscopia, Espectroscópio, Espectrómetro
- Espectros de emissão do Sol, do H, do He, do Ne, do Na e do Hg
- Espectro do Átomo de hidrogénio – série de Balmer
- Experiência de Franck-Hertz
-
espectro espectro espectro espectro espectro espectro    
https://www.youtube.com/channel/UCIZ5ZOeiXYbmKTl_85ghNPw


E5. Corpo negro; lei de Stefan-Boltzmann e distribuição espectral da radiação
E5. Corpo negro; lei de Stefan-Boltzmann e distribuição espectral da radiação:
teórica; experiência; realização experimental;

Artigo lei Stefan-Boltzmann

Outros materiais de apoio FEX3   
 
Experiência a realizar em casa:
- Experiência de John Herschel para dterminar a potência  emitada pelo Sol - ver     https://www.youtube.com/watch?time_continue=3&v=oybcLWpcgHU
 
E5: Conceitos relevantes a reter:
- O que é a luz?
- Se olharmos para a constelação Oríon, por exemplo, vemos estrelas com tonalidade azul e vermelha/laranja. Mas porque é que não vemos estrelas verdes no céu?
- Como vemos as cores?
- Qual é a "resposta" espectral do olho?
- Porque será que gama de sensibilidade máxima do olho humano está centrada em torno dos comprimentos de onda de 500 nm - 550 nm?
- O que é a luminosidade?
- O que é o brilho?
- Como se definem as cores?
- O que é o diagrama de cromaticidade ?
- O que é a temperatura de cor?
  

Corponegro Corponegro Corponegro_4 Corponegro_4  Corponegro_4 Corponegro Corponegro Corponegro cromaticidades de fontes de luz
https://www.youtube.com/channel/UCIZ5ZOeiXYbmKTl_85ghNPw
E4. Propagação de ondas EM num cabo coaxial (31/03/2021)
E4. Propagação de ondas EM num cabo coaxial  (31/03/2021)
  teórica, guia e realização experimental (descarregar preferencialmente a partir do moodle)

Impedância do osciloscópio: 1 megaohm e 50 ohm. Oscilloscope_1_megaohm_vs_50_ohm_impedance_2.jpg  

"A wave lab inside a coaxial cable," João M Serra, Miguel C Brito, J Maia Alves and A M Vallera, European Journal of Physics, Volume 25, Number 5, DOI: 10.1088/0143-0807/25/5/001

VER TAMBÉM OS VÍDEOS:
E4: Conceitos relevantes a reter (os links são meramente indicativos):
   - Reflexões em linhas de transmissão e "maximum Power Tranfer"
   - Linhas de transmissão, guias de onda e impedância caraterística de uma linha de transmissão
   - Cabos coaxiais e conetores para cabos coaxiais (BNC, SMA, SMB, etc.)
   - Impedância característica de um cabo coaxial e capacidade e indutância por unidade de comprimentos
   - Impedância característica do vácuo e impedância característica de um meio material
    - What is impedance, input impedance and output impedance   
   - Impedância, adaptação de impedâncias, impedâncias do gerador, da carga e dos aparelhos de medida (e.g. osciloscópios)
   - Terminação de uma linha de transmissão (e.g. cabo coaxial) em curto-circuito, com carga igual à impedância característica do cabo, e em circuito aberto
   - Coeficientes de reflexão e de transmissão
   - Ressonância, cavidades ressonantes (e.g. cavidades Fabry-Pérot, lasers), e frequências de ressonância - ver também *
   - Decibel (dB)
   - Blindagem eletromagnética e gaiola de Faraday     
   - Espetro eletromagnético e bandas das radiofrequências
   - Geração e propagação de ondas eletromagnéticas
   - Meios com perdas (atenuação), dispersão, meios dispersivos, e espalhamento ("scattering") de ondas
   - Reflexão e transmissão de ondas na fonteira entre dois meios com propriedades eletromagnéticas distintas (impedâncias características distintas)
   - Refletância e transmitância
   - Velocidade de fase e velocidade de grupo de uma onda eletromagnética
   - Propagação livre e propagação guiada, tipos de guias de onda (cabos coaxiais, fibras óticas, etc.)
   - Velocidade de fase e velocidade de grupo de uma onda eletromagnética num cabo coaxial 
       
(*Ressonância (Queda da Ponte Tacoma: explicação: ressonância versus não-ressonância)


E3. Corda vibrante; modos estacionários:
    teórica, guia e realização experimental

  Produzir ondas    Produzir ondas

Conceitos relevantes a reter:
   - Vibrações e ondas
   - Ondas propagantes e ondas estacionárias
   - Lei de Laplace 
   - Ressonância (Queda da Ponte Tacoma: explicação: ressonância versus não-ressonância)
   - Sistema linear, equação linear, e princípio de sobreposição
   - Lei de Hooke  
   - Modos próprios ou normais  ...
   - Massa versus peso
   - Normas e regras de escrita das grandezas físicas 
   - Representações gráficas da frequência versus o número de modos (mantendo o comprimento e a tensão); frequência versus tensão para um dado modo; frequência versus o comprimento da corda para um dado modo.
      


E1: Ótica geométrica
E2: Instrumentos óticos, difração e Interferência
Ótica geométrica, instrumentos óticos, difração, interferência e polarização,

teóricas: Ótica geométrica, e instrumentos óticos, difração, interferência e polarização

Experiência 1: Ótica geométrica e realização experimental
Experiência 2: instrumentos óticos, difração, interferência e polarização e realização experimental

Luz polarizada 		E6: Conceitos relevantes a rever/reter:

Ótica geométrica e ótica ondulatória: 

Aproximação paraxial. Ondas mecânicas e ondas eletromagnéticas, características e propriedades de uma onda; ondas transversais e ondas longitudinais; polarização, estados de polarização; fonte de onda, frequência, comprimento de onda, velocidades da onda (velocidade de fase e velocidade de grupo); fase de uma onda, diferença de fase entre duas ondas; de reflexão e refração de ondas na interface entre dois meios; dispersão da luz; arco-íris.

Instrumentos óticos: 

O olho humano; funcionamento do olho e "resposta" espectral do olho; lentes e espelhos; lentes finas e lentes grossas; lentes convergente e lentes divergente; espelho côncavos e convexos; espelho parabólicos; lupas; telescópios refrativos, objetiva e ocular, luneta de Kepler, luneta de Galileu; telescópios refletores; ampliação de um telescópio; outros telescópios.

Fenómenos de interferência e de difração: 

Difração e interferência de ondas; diferença de percursos e diferença de caminhos óticos; princípio de Huygens-Fresnel; interferência construtiva e interferência destrutiva; padrões de interferência; difração de uma fenda, de duas fendas, de múltiplas fendas; difração de uma abertura circular; difração de um obstáculo circular, ponto claro de Fresnel (ponto claro no centro da sombra de um disco opaco - ver figura de difração de um disco opaco); padrões de difração; redes de difração; resolução e dispersão de uma rede de difração,  monocromadores e espectrómetros;
  


Difração - Primeiros princípios

Difração - Introdução

Difracção - Fenda simples

Difração – Fenda dupla

Difração - múltiplas fendas

Difração – Rede de difração

Difração - Formação de imagem

Difração - Limite de resolução

Difração - Estrutura cristalina

  

Conceitos relevantes a reter/rever:
Difração e interferência de ondas; diferença de percursos e diferença de caminhos óticos; princípio de Huygens-Fresnel; interferência construtiva e interferência destrutiva; padrões de interferência; difração de uma fenda, de duas fendas, de múltiplas fendas; difração de uma abertura circular; difração de um obstáculo circular, ponto claro de Fresnel (ponto claro no centro da sombra de um disco opaco - ver figura de difração de um disco opaco); padrões de difração; redes de difração; resolução e dispersão de uma rede de difração,  monocromadores e espectrómetros;
  


Folha de resumo dos resultados/de reporte do trabalho:

A realização de uma experiência e/ou de trabalho experimental só será realmente útil se daí resultar a consolidação da compreensão dos conceitos e/ou o reforço dos conhecimentos acerta do assunto. Após a realização de uma experiência/trabalho experimental deve ser-se capaz de convencer outras pessoas (colegas, professores, público em geral, etc.) das conclusões a que se chegou. A qualidade das conclusões (e de um bom relatório/reporte depende, essencialmente, da forma como foram obtidos os resultados.

As atividades/experiências devem ser preparadas e organizadas previamente, de modo que as mesmas sejam realizadas com todos os cuidados, procurando atentar/observar todos os aspetos determinantes da boa realização dos trabalhos, anotando todas os procedimentos e informações relevantes de uma forma inteligível. A relatório/reporte da experiência/trabalho deve descrever o que se fez, justificar o(s) procedimento(s) escolhido(s), apresentar as medidas realizadas, os resultados obtidos, incluindo, a sua discussão, e, finalmente, as conclusões e comentários finais.

O documento resumo/registo dos resultados deve incluir:
  • Informação dos objetivos (descrição sucinta do que se pretende obter da experiência - uma ou duas linhas devem ser suficientes).
  • Descrição do procedimento seguido em aula: relatar o que foi realmente feito (e não copiar procedimento proposto), justificando/discutindo as escolhas que feitas.
  • Avaliação e/ou estimativa das incertezas das medições e das incertezas associados aos resultados, sempre que apropriado, devido aos aparelhos de medida e/ou aos procedimentos usados.
  • A indicação das unidades das grandezas, legendas e numeração das figuras e dos gráficos - aplicar regras do SI, ver abaixo.
  • Discussão dos resultados obtidos e, sempre que possível, a comparação dos mesmos com os valores da literatura/conhecidos e/ou os previstos teoricamente.
  • Conclusão e comentário finais (como, por exemplo, sugestões para melhorar as atividades por forma a reforçar os seus objetivos pedagógicos)

Considerações acerca do modelo de documento de registo de atividades/experiências (exemplos: relatório sumário, sumário ou resumo descritivo)
Ver modelo-normas. Não é espectável que o resumo/reporte dos trabalhos realizados necessite de mais de 2 a 3 páginas (4 no máximo).
É fundamental que os alunos sejam capazes de expressar suas ideias e defender os seus argumentos com clareza, detalhe e perspicácia. Em paralelo, também é fundamental que sejam capazes de ler e criticar as ideias e argumentos de outros com clareza, detalhe e subtileza. A elaboração de registos das atividades (relatório sumário, sumário ou resumo descritivo) e de documentos mais extensos, como relatórios ou dissertações, permite treinar o estudante nestas duas vertentes.

Embora seja perfeitamente normal e desejável discutir os dados e os resultados obtidos com o(s) parceiro(s) de laboratório/atividade, a elaboração de relatórios sumários, sumários ou resumos descritivos, e de relatórios/dissertações em si é um exercício individual. A boa realização das atividades/trabalhos só termina com a boa redação de um documento descritivo e/ou expositivo das atividades executadas.

Seguem-se algumas dicas para criar relatórios sumários, sumários ou resumos descritivos de qualidade. Ter presente que, normalmente, a organização do conteúdo do relatório não segue a ordem da execução e/ou da escrita. Geralmente, os documentos de registos das atividades técnico-científicas e os relatórios científicos e técnicos apresentam os resultados/descobertas da seguinte maneira: "Aqui está o que foi proposto fazer. Aqui está o que se obteve/observou/descobriu. Aqui estão os detalhes de como se chegou lá."

No âmbito académico, a elaboração de registos das atividades ou relatórios técnico-científicos tem como propósito o descrever (e, por vezes, disseminar) a terceiros, as ações levadas a cabo durante a realização das atividades e apresentar e discutir os resultados obtidos. É fundamental que os textos produzidos sejam bem organizados, legíveis e inteligíveis. O estilo de escrita deve estar em consonância com a redação técnica padrão da área de conhecimento em que a atividade se insere, incluindo o respeito pelas regras de escrita das unidades e grandezas do SI, gramática e ortografia adequadas. Por norma, devem ser evitados o uso da voz ativa, da primeira pessoa, ou de pronomes pessoais e similares. Por exemplo, não se deve escrever: "Eu configurei a fonte de alimentação para 6 V"; em vez disso, deve-se escrever "A fonte de alimentação foi configurada para 6 V".

A seguir, apresenta-se, a título meramente indicativo, uma possível metodologia de classificação de relatórios sumários, sumários ou resumos descritivos de atividade realizadas em ambiente académico:
  • Avaliação A [Excelente>=19]: O relatório atinge ou excede a tarefa proposta, tem uma aparência profissional, ortografia e sintaxe adequadas, respeito pelas regras de escrita das unidades e grandezas do SI. A análise apresentada é apropriada e tem o detalhe devido. As tabelas de resultados e os gráficos são apresentados de forma clara e concisa, e os diagramas têm uma aparência profissional. As respostas aos problemas e às questões são suficientemente detalhadas e corretas.     
  • Avaliação B [MBom 17-18]: O relatório apresenta pequenas deficiências (menores), a saber: Alguns erros ortográficos ou gramaticais, algum desrespeito pelas regras de escrita das unidades e grandezas do SI, análise sem o detalhe adequado, imperfeiçoes ao nível das tabelas de resultados, dos gráficos e diagramas. Em geral, o relatório é sólido, mas precisa de refinamento. As respostas aos problemas e às questões são detalhadas e estão, na sua maioria, corretamente apresentadas.  
  • Avaliação C [Bom 14-16]: o relatório é útil e transmite as ideias principais, embora seja vago em alguns aspetos. Apresenta erros ortográficos e gramaticais mais numerosos do que aqueles encontrados nos relatórios com classificação A ou B, e menor cuidado nas regras de escrita das unidades e grandezas do SI. Apresenta lacunas ao nível das tabelas, gráficos ou omissões na análise. As respostas aos problemas e às questões carecem de detalhe e/ou estão parcialmente erradas. 
  • Avaliação D [Suficiente 10-13]: além dos erros ortográficos e gramaticais e desrespeito pelas regras de escrita das unidades e grandezas do SI, o relatório apresenta erros lógicos, como, por exemplo, conclusões que não são suportadas pelos resultados. A análise é vaga e pouco fiável. Os gráficos, tabelas e diagramas têm pouca qualidade ou são pouco claros. As respostas aos problemas e às questões carecem de detalhe ou estão em grande parte incorretas.
  • Avaliação E [Insuficiente<=9]: o relatório exibe muitas deficiências: desrespeito pelas regras de escrita das unidades e grandezas do SI, erros ortográficos e gramaticais significativos, dados e resultados desconcertantes ou incompreensíveis, ausência de gráficos, tabelas e diagramas, a análise incorreta, ou a ausência de secções importantes (e.g. analise de resultados, conclusões, etc.). As respostas aos problemas e às questões são incorretas e/ou pouco detalhadas.   

Cirrus.Ciencias: Física Experimental I (ÓTICA)   Eletromagnetismo e Ótica   Física Moderna I e II    Outros materiais de apoio    Curiosidades e atividades lúdico-cientí­ficas

Física moderna [No princípio (35), radiação do corpo negro (44), efeito fotoelétrico(55), efeito de Compton (61), espetros de emissão e absorção atómicos (67), ação laser e lasers (92), dualidade onda-partícula da luz (117), difração de raios X (125), Natureza ondulatória da matéria (135), Difração com feixes corpusculares (149), Princípio de incerteza de Heisenberg (154), Mecânica Quântica (165), modelos atómicos (193), moléculas e matéria condensada e espetros moleculares (213), estruturas cristalinas e ligações em cristais (220), metais, dielétricos, semicondutores e dispositivos (266), supercondutividade (302), Física Nuclear, RMN, MRI, radioatividade, datação radioativa, energia nuclear (315)]  

Eletromagnetismo e ótica [Eletrostática (17), Campo Elétrico (37), dipolo elétrico (67), lei de Gauss (74), potencial elétrico (108), corrente elétrica e resistência (131), capacidade e dielétricos (159), magnetostática (177), eletricidade e magnetismo, força de Lorentz, força de Laplace, lei de Gauss, bomba eletromagnética  (188), fontes de campo magnético e lei de Ampere (221), indução eletromagnética (241), indutância e circuitos de corrente alternada (280); equações de Maxwell e ondas eletromagnéticas (297), polarização, polarizadores e efeito de Faraday (314), natureza da luz e espetro eletromagnético (um pouco de história), campo ótica e fotões (349), produção e transporte de onda eletromagnéticas, vetor de Poyting, irradiância, constante solar, pressão de radiação (350), antenas (360), transmissão de informação (376), natureza da luz 2  (difração, experiência de Young, velocidade da luz, efeito fotoelétrico)(385), perceção da cor (403), emissão de luz pelos sólidos (410),  luz laser (417), propagação da luz (430), leis da ótica geométrica (437), dispersão da luz, arco-íris e fenómenos óticos atmosféricos (456), sistemas de óticos/optoeletrónicos para comunicações (467), ótica geométrica, formação de imagens, espelhos, lentes,  aberrações (477), instrumentos óticos (530), interferência e interferómetros (552), difração e redes de difração (571), holografia (595)].

Física Experimental - Ótica 1 [Natureza da luz, ondas eletromagnéticas (OEM) (26), produção e propagação de ondas eletromagnéticas (46), leis da ótica geométrica (85), polarização e polarizadores (104), interferência e interferómetros (120), difração (139), holografia (163), ótica geométrica (169), perceção da cor (244), espetroscopia (248), dispersão da luz (250), transmissão de informação usando sinais EM - comunicações óticas]

Física Experimental - Ótica 2 [Lasers, interferência, interferómetros, deteção de ondas gravitacionais, holografia]  


Sistema Internacional de Unidades (SI)
"O SI é um conjunto sistematizado e padronizado de definições para unidades de medida, utilizado em quase todo o mundo moderno, que visa a uniformizar e facilitar as medições e as relações internacionais daí decorrentes.[6]" (wikipedia)  

O sistema métrico é um sistema de medição internacional decimalizado, que surgiu pela primeira vez na França, durante a Revolução Francesa, em virtude da dificuldade de funcionamento do comércio e da indústria devido à existência de diversos padrões de medida. Desde os anos 1960 o Sistema Internacional de Unidades ("Système International d'Unités" em Francês, sigla "SI") foi reconhecido internacionalmente como sistema métrico padrão. Unidades métricas são universalmente utilizadas em trabalhos científicos, e amplamente utilizadas em todo o mundo para fins pessoais e comerciais. Um conjunto padrão de prefixos em potências de dez podem ser usados para derivar as unidades maiores e menores das unidades de base.[sistema métrico]

Grandezas e unidades SI

Bibliografia recomendada

Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics, Raymond A. Serway, John W. Jewett Jr, Thomson,Brooks/Coles, 6ª edição, 2004;

The Physics of Vibrations and Waves, H. J. Pain, Wiley, 6ª edição.

Página da disciplina no Moodle  


Textos informativos e apontamentos
PL21 FE III 2021 
Departamento de Física da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, Campo Grande, P-1749-016 Lisboa - Edifício C8, Gabinete 8.5.14, Ext. 28514.