O EXPERIMENTO DE YOUNG NO ENSINO MÉDIO: DEMONSTRANDO COM MATERIAIS SIMPLES A TEORIA ONDULATÓRIA DA LUZ

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## O EXPERIMENTO DE YOUNG NO ENSINO MÉDIO: DEMONSTRANDO COM MATERIAIS SIMPLES A TEORIA ONDULATÓRIA DA LUZ

Gabriela Mendes Silva , Poliana Ferreira Freitas , Rafael Batista Madureira 1 2 3 José Antônio Duarte Santos , Geraldo Magela Cardoso 4 5

1 Instituto Federal do Norte de Minas Gerais - Câmpus Salinas, gabriela.ifnmg.fisica@gmail.com

2 Instituto Federal do Norte de Minas Gerais - Câmpus Salinas, polianapibid@yahoo.com.br

- 3 Instituto Federal do Norte de Minas Gerais - Câmpus Salinas, rafael.ifnmgsal@gmail.com
- 4 Instituto Federal do Norte de Minas Gerais - Câmpus Salinas, jose.santos@ifnmg.edu.br

5 Instituto Federal do Norte de Minas Gerais - Câmpus Salinas, geraldo.cardoso@ifnmg.edu.br

## Resumo

Desde a antiguidade, a natureza da luz vem sendo estudada e sofrendo oposições entre os estudiosos quanto a sua natureza (onda ou partícula), essas oposições só foram 'esclarecidas' em 1801 com a realização de um experimento proposto por Thomas Young que provou o caráter ondulatório da luz. O presente trabalho faz um breve estudo sobre as teorias corpuscular proposta por Newton e ondulatória proposta por Huygens, enfatizando a contribuição de alguns estudiosos a respeito da natureza da luz até o experimento realizado por Thomas Young. Diante do exposto foi proposta a realização de tal experimento no Ensino Médio de forma simples e com materiais de baixo custo como complementador no estudo da luz, assim, esse trabalho baseado em pesquisa bibliográfica, consiste na produção de um experimento que tem como objetivo oferecer subsídios para os professores introduzirem o estudo da luz e explorar a história do seu desenvolvimento e alguns de seus conceitos como difração e interferência de maneira dinâmica, contextualizada e demonstrada além de calcular o comprimento de onda do laser. Espera-se então que este trabalho contribua de forma metodológica, para uma aula mais dinâmica e que possibilite ao professor construir uma ferramenta pedagógica para o ensino de difração, interferência e outras propriedades da luz.

Palavras-chave : Experimento de Young, Estudo da Luz, Ensino Médio.

## 1Introdução

Sabe-se que, desde a antiguidade os filósofos gregos Platão e Aristóteles discutiam à respeito da natureza da luz e desde essa época haviam diferentes teorias para seu comportamento. Platão acreditava que nossos olhos emitiam pequenas partículas que, ao atingirem os objetos, tornava-os visíveis. Aristóteles por sua vez cria que a luz era um fluido imaterial que se propagava entre os olhos e o objeto visto. (MÁXIMO, ALVARENGA, 2010, p.193). Percebe-se que, desde essa época a teoria corpuscular proposta mais tarde por Newton e a ondulatória por Huygens eram discutidas.

'Aristóteles foi um dos primeiros a contestar a teoria corpuscular para a natureza da luz', (SILVA; MARTINS, 2008, p.3) assim como Robert Hooke e Huygens, reforçava a hipótese ondulatória. Huygens com a publicação de um livro em 1678, chamado 'Tratado sobre a luz' concordava com a proposta de Hooke a favor da teoria ondulatória para a luz, já Newton defendia a luz como partículas com velocidades

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grandes que tinham propriedades elásticas assim como uma esfera jogada contra uma parede que reflete com o mesmo ângulo de incidência (ALMEIDA; BEZERRA, 2012, p.5).

A dicotomia sobre a natureza da luz foi algo bastante discutido por grandes cientistas, haviam estudos sobre seu caráter corpuscular e também teorias sobre o caráter ondulatório, durante séculos foi aceito pela comunidade científica apenas o caráter corpuscular da luz proposto por Newton, devido à grande influência e o prestígio científico que ele tinha naquela época associado a sua defesa por esta teoria, assim, apenas no século XIX com as contribuições de Fresnel e Young à quem direcionamos experimentalmente o nosso estudo, veio a necessidade de explicar em termos das teorias ondulatórias, fenômenos provocados pela luz como interferência e difração, no qual sabe-se que são características exclusivamente ondulatórias.

Especificamente, as teorias, corpuscular e ondulatória, tratam-se de duas teorias concorrentes de dois contemporâneos. Segundo Villate (2005) Na teoria corpuscular proposta por Newton, a luz era considerada como um feixe de partículas emitidas por uma fonte de luz que atingia o olho em linha reta, esta teoria conseguia explicar muito bem alguns fenômenos de propagação da luz como a reflexão e a refração. A teoria ondulatória proposta por Huygens versava a luz como uma onda na qual a reflexão e a refração também podiam ser explicadas, desta vez, por uma teoria ondulatória como as ondas do som no ar, porém essa teoria não foi aceita imediatamente prevalecendo a priori a teoria corpuscular.

As divergências sofridas entre as teorias de Huygens e Newton fora identificadas mais tarde, com os estudos de Young, como os fenômenos da difração e interferência, precisamente no inicio do século XIX quando resolveu a situação de incerteza realizando um experimento que provou que a luz sofria interferência e difração, propriedades exclusivamente ondulatórias e provando que a teoria ondulatória é válida (SILVA; MARTINS, 2008, p.6), experimento este que refaremos de maneira simples para ser trabalhado com estudantes do Ensino Médio.

Contudo, este trabalho é baseado em pesquisa bibliográfica e consiste na produção de um experimento que terá como finalidade: demonstrar o experimento realizado por Thomas Young; observar os fenômenos de difração e interferência luminosa; calcular o comprimento de onda do laser utilizado no experimento, além de abordar a história da natureza da luz. O principal objetivo deste é oferecer recursos para os professores introduzirem o estudo da luz no Ensino Médio.

## 2Desenvolvimento

## 2.1- O estudo da luz no Ensino Médio

Observa-se que a luz está presente todos os dias na vida dos seres, portanto conhecer um pouco sobre sua natureza faz-se importante, conhecimento este que está contido tradicionalmente no ramo da Física denominado Ótica no qual se estuda a luz e seus fenômenos.

No Ensino Médio elementos de Ótica estão contidos na grade curricular de Física, mesmo sem esse nome específico, elementos de refração, reflexão, difração,

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interferência dentre outros se fazem presentes nesta. Ao discutir sobre a importância desse estudo Almeida, (1996, p. 35) destaca que:

Esses assuntos certamente devem merecer atenção no Ensino Médio. Ainda que as teorias sobre a luz tenham se tornado cada vez mais complexas, não nos parece justificável que a Física escolar continue apenas a exercitar os estudantes na obtenção de valores numéricos [...]

No mesmo viés Gircoreano; Pacca (2001, p.27) enfatiza que:

Quando se estuda Óptica no curso de ensino médio, o enfoque tradicionalmente se restringe ao estudo de aspectos geométricos, baseados no conceito de raio de luz e na análise das características de alguns elementos específicos, como por exemplo, espelhos, lâminas de faces paralelas, prismas e lentes. Todos esses elementos sempre são indicados por retas e pontos num plano, sem ficar evidente que a luz se propaga num espaço tridimensional, que há uma fonte de luz e que existem obstáculos para a propagação. Os aspectos concernentes à natureza da luz, sua interação com a matéria e sua ligação com o processo de visão, também são, em geral, desconsiderados.

Mas como tornar mais inteligível o estudo da luz no Ensino Médio? Esta pergunta que nos levou à produção de um experimento que dá abertura aos professores para que, com o auxílio dele, explorem a história do desenvolvimento da natureza da luz e alguns de seus conceitos como difração e interferência de uma maneira mais dinâmica.

Almeida e Bezerra (2012, p.1), dizem que 'existem muitas estratégias pedagógicas na tentativa de melhorar o ensino como um todo e em particular o de ciências; área tão carente de profissionais qualificados'. Essas estratégias, segundo os autores, vão desde uma aula dinâmica com atividades experimentais até o uso das tecnologias e a história da ciência como forma de despertar o interesse dos estudantes pela ciência. Em concordância com os autores citados, este texto não defende puramente o experimento como principal recurso nesse estudo, mas sim que ele sirva de complementação e demonstração para os conteúdos a serem trabalhados.

## 2.2 - O experimento de Young

Em 1801 Thomas Young realizou um experimento que esclareceu a divergência de ideias de diversos estudiosos. O experimento consiste na projeção de um feixe de luz solar em um pequeno orifício em uma chapa, no qual ele fez passar a luz do Sol que por sua vez dispersou por difração e incidiu em outra chapa que continha dois orifícios com uma pequena distância entre eles, conforme representado na figura 01. (BRAUN; BRAUN, 1994).

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Esquema do experimento de Young

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Figura 01 : Fonte: HALLIDAY (2009)

A figura 01 representa a configuração do experimento, neste a luz solar passa pelo orifício 0 S localizado no anteparo ' A ' que passará a se comportar como uma fonte difratando a luz que chegará aos orifícios 1 S e 2 S localizados no anteparo ' B ', eles também se comportarão como fontes e difratarão a luz que por sua vez irão se interferir na tela de projeção ' C '. É possível visualizar os máximos e mínimos causados pela interferência construtiva e destrutiva na tela de projeção ' C '.

As franjas claras e escuras visualizadas no anteparo formam um padrão de interferência construtiva e destrutiva, assim Young pôde observar o máximo central e uma distribuição de franjas, cujas intensidades luminosas diminuem ao se afastarem do máximo central (HALLIDAY, 2009, p.83), análogo ao comportamento ondulatório das ondas geradas em uma cuba com água ou em outros tipos de onda.

Com esse experimento Young identificou duas das propriedades ondulatórias, o fenômeno da superposição ou interferência das ondas e o da difração e segundo Halliday (2009 p.82), essa ação possibilitou medir o comprimento de onda da luz solar que inclusive é próximo do valor atualmente aceito.

Com a equação y m = m D λ d (HALLIDAY, 2009 p.85) é possível calcular o comprimento de onda do laser utilizado para obtenção das franjas de interferência, considerando ' D ' a distância entre o anteparo ' B ' e na tela de projeção ' C ' (figura 01), ' d ' a distância entre os dois orifícios, ' m ' é a ordem das franjas, ' m y ' a posição da m -ésima franja e ' λ ' o comprimento de onda desejado, cálculo realizado no experimento proposto neste trabalho, em que o professor pode realizá-los e apenas apresentá-los aos seus alunos devido ao grau de complexidade.

## 2.3-Refazendo de forma simples o experimento de Young

O experimento de Young foi considerado um dos mais belos da Física na edição de setembro de 2002 da revista Physics World segundo IFUFRGS (Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Su, 2012l). Diante do exposto no tópico 2.2 percebe-se a grande importância do experimento no estudo da luz e na compreensão de alguns fenômenos que ela sofre.

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As novas tendências no ensino de Física vêem a experimentação como recurso de compreensão que pode contribuir no processo de ensino e aprendizagem quando utilizada de forma responsável e assimilada criticamente com o que foi aprendido em teoria (AZEVEDO et. al. 2009, p.10). Brasil (2002, p.71) afirma que 'experimentos simples, que podem ser realizados em casa, no pátio da escola ou na sala de aula com materiais do dia a dia podem levar a descobertas importantes', assim, com a realização do experimento objetiva-se entender as razões da luz ser considerada uma onda e observar os fenômenos de difração e interferência luminosa.

Este trabalho apresenta uma proposta de reprodução do experimento de Young em sala de aula com materiais simples o que pode ser uma alternativa para o enriquecimento da aula e um facilitador para o estudo da natureza da luz.

O experimento proposto utiliza como material: uma lata de alumínio, comumente utilizada para armazenar refrigerante, para confecção do anteparo; um laser vermelho de aproximadamente mW 5 de potência e comprimento de onda de nm 665 que para esse estudo foi utilizado o kit da (Cidepe) mas é encontrado em lojas 1 disponíveis na internet a preço acessível; um alfinete para abrir um furo de aproximadamente mm 0,10 de diâmetro, utilizando para essa dimensão apenas a ponta do alfinete para a abertura dos orifícios; quatro prendedores de roupa para servir de suporte para os anteparos e uma tela de projeção branca que pode ser a parede.

Na montagem do experimento deve-se cortar a latinha de forma com que se obtenham duas placas retangulares (anteparo) preferencialmente próximas as dimensões cm cmx 8 10 para facilitar os ajustes. Com um alfinete, faça um orifício bem pequeno (fenda) em uma das placas, em seguida faça dois orifícios paralelos e idênticos muito próximos (dupla fenda) na outra placa, ajustando as duas placas até que os orifícios fiquem com mesma altura, considerando o princípio da propagação retilínea da luz. Utilize os prendedores de roupa como suporte, de forma que as placas (anteparos) fiquem na vertical, conforme a figura 02.

Figura 02 : Montagem do experimento

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Na execução do experimento deve-se projetar o laser em direção ao primeiro orifício localizado no primeiro anteparo (figura 02) por onde a luz passará de forma com que atinja os outros dois orifícios do segundo anteparo, distanciando-os aproximadamente cm 25 um do outro. Algumas observações devem ser feitas para que o experimento obtenha os resultados desejados, dentre elas: a dimensão dos orifícios para que ocorra a difração; a distância entre eles e a distância entre os anteparos e a tela de projeção, que nesse caso foi de m 3,01 .

Os tamanhos dos orifícios justificam-se, pois, para ocorrer difração é necessário que o orifício tenha dimensões comparáveis ao comprimento de onda (MEIRELLES; CARVALHO, 2007, p.5) então como o comprimento de onda da luz visível inclusive a vermelha é muito pequeno suas dimensões devem ser aproximadamente o diâmetro da ponta de um alfinete mencionado anteriormente. A distância entre os orifícios também deve ser pequena para que os raios de luz que passam pelos dois, se superponham, ou seja, ocorra a interferência das ondas quando os raios luminosos passarem por eles. Já a distância até a tela de projeção pode ser ajustada conforme o andamento do experimento.

Na realização do experimento nota-se que os resultados são nitidamente visíveis, as franjas de interferência são perceptíveis assim como os pontos de maior e menor intensidade luminosa (figuras 03 e 04). Analisando as figuras 03 e 04, nota-se o efeito da difração ao ultrapassar o primeiro orifício e interferência ao ultrapassar os outros dois orifícios, respectivamente. No decorrer do experimento o professor pode questionar os estudantes quanto ao tamanho dos orifícios, os formatos das franjas, o máximo central e a própria teoria da luz, fazendo-os entender um pouco sobre o que pensou o cientista Thomas Young após realizar tal experimento.

Figura 03: obtenção da difração

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Para o cálculo do comprimento de onda do laser, utilizamos a equação citada anteriormente e os valores medidos para a distância entre os dois orifícios, mm = d 0,62 ,

a distância entre duas franjas claras consecutivas mm = y 2,67 e m = D 2,96

m para a

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Figura 04: franjas de interferência

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distância entre o anteparo ' B ' e a tela de projeção. Dessa forma, encontramos um nm = λ 560 , o que confere um erro experimental de 16 %. Fazendo essas considerações é possível entender que com essa prática não é possível obter um valor mais preciso do comprimento de onda da luz do laser, por conta da imprecisão dos instrumentos de medidas e medidores, outro fator que influencia no resultado é que os orifícios não são regulares e sim produzidos artesanalmente, com isso conseguimos aproximar do valor do comprimento de onda de uma luz coerente com boa precisão experimental a partir das franjas de interferência, evidenciando o caráter ondulatório da luz.

## 3Conclusão

Acreditamos que refazendo o experimento de Young, que é de simples preparação, e que foi montado com materiais de baixo custo, o professor possa fazer uma representação de obtenção de interferência e difração luminosa e minimizar a abstração desses conceitos em ótica.

Ansiamos que essa proposta contribua para um ensino de elementos da natureza da luz de uma maneira mais contextualizada historicamente, buscando sempre entender como os grandes pesquisadores da época contribuíram para o desenvolvimento da ciência.

Através da execução do experimento percebemos que o mesmo tem grande importância no estudo da luz e contribui para compreender seus fenômenos e características. A sua realização em sala de aula associada com o contexto histórico pode ser uma das maneiras de mostrar ao estudante as evoluções que a ciência sofre e também que um experimento tão simples refutou a teoria de um dos maiores físicos da história da ciência.

Espera-se então que este trabalho contribua de forma metodológica, para uma aula mais dinâmica e que possibilite ao professor construir uma ferramenta pedagógica para o ensino de difração, interferência e outras propriedades da luz.

## Referências

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BRAUN, L. F. M; BRAUN, T. A montagem de Young no estudo da interferência, difração e coerência de fontes luminosas. Cad. Cat. Ens. Fis . Santa Catarina, v.11, n. 3: p.184-195, Quadrimestral, Dez.1994.

GIRCOREANO, José Paulo; PACCA, Jesuína Lopes de Almeida. O ensino da óptica na perspectiva de compreender a luz e a visão. Cad. Cat. Ens. Fis . Santa Catarina, v. 18, n.01: p.26-40,Quadrimestral, Abril. 2001.

HALLIDAY, RESNICK, WALKER. Fundamentos de Física . Rio de Janeiro: Editora LTC, 2009. Vol. 4. 8 ed. p. 76-135.

MAXÍMO, A. ALVARENGA, B. Curso de Física 2 . São Paulo: Scipione, 2010.

MEIRELLES, Saulo; CARVALHO, Nelson Violante. Modelagem computacional da propagação de ondas superÞciais no oceano: um subsídio para a compreensão dos fenômenos ópticos. Revista Brasileira do Ensino de Física , São Paulo, v. 29, n. 4, p. 555-563, Trimestral, 2007.

Os dez mais belos

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL. experimentos da Física. Porto Alegre, 2012. 125 p. Disponível em:

&lt;http://www.if.ufrgs.br/tex/fis142/fismod/mod06/m\_s06.html&gt;. Acesso em: 05 jan. 2014.

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VILLATE, J. E. Teorias da luz. Experiências. Porto: Departamento de Física Faculdade de Engenharia Universidade do Porto , 2005. Exposição na Biblioteca da FEUP.

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