Characterization of surface roughness by speckle pattern—an experimental approach

Abstract

Although it originates from the ancient Greeks, optics still arouses a lot of scientific interest, mainly due to the technological innovation associated with it. One of its most interesting applications is related to optical metrology and the characterization of materials through optical techniques. While some of these processes can be explained in a simplified way using a few of the fundamental principles of physics, there are hardly any proposals whose objective is to discuss this topic at a basic level. Accordingly, we present a low-cost experiment that allows the characterization of surface roughness using the fractal dimension of the speckle pattern associated with the light scattered by a surface. For simplicity, the entire activity is adaptable to the most diverse school situations. Moreover, it allows the discussion of many fundamental physics concepts and provides students with an experience similar to that experienced by scientists.

Didactic laser speckle experiments with a lensless camera

“…Current works exploit laser speckle setups to evaluate the influence of the scattering surface texture and the object-camera distance on the average size and distribution of the granular pattern, corroborating with the theoretical predictions [7,8]. Other authors investigate surface roughness [9] or use speckle imaging to spatially locate dynamic scattering due to vibration of structures or biological activity in seeds [10]. However, few works focus on practical applications of laser speckle systems for assessing physical variables with quantitative results.…”

Quebra espontânea de simetria e mecanismo de Higgs: uma abordagem a partir dos osciladores harmônico simples e anarmônico.

“…O sistema é essencialmente o mesmo: a massa e a mola, mas com os parâmetros em outra região de valores, de forma que o sistema apresenta uma física diferente daquela correspondente à fase (ou situação) em que a oscilação se dá em torno da origem, quando não ocorre quebra de simetria. Desta forma, precisamos reinterpretá-lo para o caso em que o campo não flutua em torno da configuração de campo trivial (campo nulo), de forma que o problema requer a introdução de uma nova coordenada física, H, como mostra a equação (19).…”

“…Para essa ação, em geral conhecida como "Física de Fronteira no Ensino Médio", podemos destacar o livro [13] que trata de temas como: simetrias e modelo padrão, possibilidades para além do modelo padrão, matéria escura, termodinâmica e mecânica estatística, nanotecnologia, entre outros. Podemos adicionar ainda artigos sobre temas de física de fronteira [14][15][16][17][18][19] e projetos como: o Frontier projects [20], cujo objetivo é integrar pesquisa científica de fronteira e pesquisa em ensino; ou de divulgação/minicursos como o ICTP-SAIFR [21] que visa a Física de Fronteira para a sala de aula e os mais variados públicos.…”

Geometria Fractal em Sala de Aula: Uma Revisão Sistemática Envolvendo a Taxonomia de Bloom

“…Pensando nessa colaboração, atualmente está em desenvolvimento a elaboração de uma sequência didática que propõe o estudo da geometria dos fractais sob uma perspectiva interdisciplinar. Trata-se de uma adaptação do trabalho proposto por Souza et al (2019) e Souza et al (2021) visando à sua aplicação no ensino remoto. Em relação aos níveis cognitivos de Bloom, a proposta se manifesta como uma alternativa para se abordar a temática a partir dos níveis de aplicação e avaliação, uma vez que utiliza os fractais como uma ferramenta de análise do grau de irregularidade de superfícies físicas.…”