Uma onda plana, de comprimento de onda igual a 590 nm, incide numa fenda com
. Uma lente convergente delgada, com distância focal igual a + 70 cm, é colocada atrás da fenda e focaliza a luz sobre o anteparo. A que distância está o anteparo da lente?
Passo 1
Primeiro, vamos entender o que a questão está nos pedindo. Temos uma onda plana com comprimento de onda
que incide em uma fenda de largura
. Atrás da fenda, há uma lente convergente fina com distância focal
. Precisamos determinar a distância entre a lente e o anteparo (a tela onde a imagem é formada).
Conteúdo da matéria: Este problema envolve conceitos de difração de ondas e a utilização de lentes para formar imagens de fenômenos de difração.
O que precisaremos para resolver:
- Fórmulas de difração por fenda única.
- Relação entre distância focal da lente e a formação de imagens.
- Conversão de unidades para manter a consistência nos cálculos.
Passo 2
Vamos começar convertendo todas as medidas para o Sistema Internacional de Unidades (SI) para facilitar os cálculos.
- Comprimento de onda:
- Largura da fenda:
- Distância focal da lente:
Passo 3
Para determinar a distância entre a lente e o anteparo, precisamos entender como a difração da luz através da fenda é projetada pela lente.
Quando uma onda passa por uma fenda estreita, ela se difrata e forma um padrão de interferência na tela. A lente convergente focaliza os diferentes ângulos de difração em pontos distintos na tela, formando a imagem do padrão de difração.
A posição dos máximos e mínimos de difração na tela pode ser determinada usando a seguinte fórmula para os mínimos de difração por fenda única:
Onde:
-
é a largura da fenda, -
é o ângulo de difração, -
é a ordem do mínimo ( ), -
é o comprimento de onda.
Para pequenos ângulos,
, onde
está em radianos. A posição
do mínimo na tela em relação ao centro é dada por:
Substituindo
da primeira equação:
Passo 4
Estamos interessados na distância entre a lente e o anteparo, que é a distância
(distância focal da lente). No entanto, para visualizar o padrão de difração projetado pela lente na tela, o anteparo deve estar posicionado no plano focal da lente.
Portanto, a distância entre a lente e o anteparo será igual à distância focal da lente.
Passo 5
Agora, substituímos o valor da distância focal da lente na equação.
Mas, conforme explicado no passo anterior, para que a imagem do padrão de difração seja formada corretamente na tela, o anteparo deve estar exatamente na distância focal da lente.
Resposta
A distância entre a lente e o anteparo é de
.
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