Enunciado

Uma folha bem fina de latão contém duas fendas estreitas paralelas. Quando um feixe de laser incide perpendicularmente sobre essas fendas à temperatura ambiente (20,0°), a primeira franja escura de interferência ocorre a ± 32,5 ° da direção original do feixe de laser quando vista de certa distância. Se essa folha for aquecida lentamente até 135 ° , em quantos graus essas franjas escuras mudarão de posição? Elas se aproximarão uma da outra ou se distanciarão? Consulte a Tabela 17.1 e despreze quaisquer efeitos que possam se originar da mudança da espessura das fendas. (Sugestão: como a expansão térmica costuma produzir variações muito pequenas no comprimento, você pode usar diferenciais para encontrar a variação do ângulo.)

Passo 1

O problema aqui é o seguinte: conforme a temperatura aumenta, a fenda de comprimento x vai ficando maior.

Obs.: estamos trocando d por x pra evitar confusão com o d do diferencial.

A posição das fendas escuras segue essa fórmula aqui:

x sen ⁡ θ = λ / 2

Seguindo a sugestão do enunciado, vamos tirar o diferencial dos dois lados:

d sen ⁡ θ = d λ 2 x

cos ⁡ θ d θ = - λ 2 x 2 d x

Passo 2

Com a expansão térmica, a variação do comprimento da fenda segue essa fórmula quando a temperatura aumenta em d T :

d x = x α d T

Substituindo isso na fórmula de cima:

cos ⁡ θ d θ = - λ 2 x 2 x α d T

E isolando d θ :

d θ = - λ α d T 2 x cos ⁡ θ

Beleza, estamos chegando na fórmula que diz como a posição dos máximos muda.

Se estamos falando de variações pequenas, dá aproximar cos ⁡ θ ≈ cos ⁡ θ 0 e x = x 0 :

d θ = - λ α d T 2 x 0 cos ⁡ θ 0

Passo 3

Esse λ na fórmula ainda é um problema. Vamos lembrar da relação que escrevemos lá em cima:

λ = 2 x 0 sen ⁡ θ 0

Substituindo na fórmula:

d θ = - 2 x 0 sen ⁡ θ 0 α d T 2 x 0 cos ⁡ θ 0

d θ = - tan ⁡ θ 0 α d T

Ótimo, agora é só substituir os valores numéricos pra calcular a variação do ângulo:

θ 0 = 32,5 °

α L a t ã o = 2 × 10 - 5   K - 1

d T = 135 - 20,0 ≈ 115   K

Então:

d θ = - tan ⁡ 32,5 ° 2 × 10 - 5 115 = - 0,00147   r a d

d θ = - 0,084 °

Passo 4

Já que a expressão para d θ tem um sinal negativo, isso indica que a posição angular das franjas diminui conforme a temperatura aumenta:

d θ = - ( c o n s t a n t e )   d T

Isso quer dizer que as franjas ficam mais próximas.

Resposta

As franjas mudam de posição por 0,084 ° , ficando mais próximas conforme a temperatura aumenta.

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