Equipe de Física FÍSICA ONDAS - PDF
Download "Equipe de Física FÍSICA ONDAS"
Stefany Barata Padilha
1 Aluno (a): Série: 3ª Turma: TUTORIAL 14B Ensino Médio Equipe de Física Data: Classificação das ondas FÍSICA ONDAS Uma onda é um movimento causado por uma perturbação, e esta se propaga através de um meio. Um exemplo de onda é tido quando joga-se uma pedra em um lago de águas calmas, onde o impacto causará uma perturbação na água, fazendo com que ondas circulares se propagem pela superfície da água. Também existem ondas que não podemos observar a olho nu, como, por exemplo, ondas de rádio, ondas de televisão, ondas ultra-violeta e microondas. Além destas, existem alguns tipos de ondas que conhecemos bem, mas que não identificamos normalmente, como a luz e o som. Mas o que elas têm em comum é que todas são energias propagadas através de um meio, e este meio não acompanha a propagação. Conforme sua natureza as ondas são classificadas em: Ondas Mecânicas: são ondas que necessitam de um meio material para se propagar, ou seja, sua propagação envolve o transporte de energia cinética e potencial e depende da elasticidade do meio. Por isto não é capaz de propagar-se no vácuo. Alguns exemplos são os que acontecem em molas e cordas, sons e em superfícies de líquidos. Ondas Eletromagnéticas: são ondas geradas por cargas elétricas oscilantes e sua propagação não depende do meio em que se encontram, podendo propagar-se no vácuo e em determinados meios materiais. Alguns exemplos são as ondas de rádio, de radar, os raios x e as microondas. Todas as ondas eletromagnéticas tem em comum a sua velocidade de propagação no vácuo, próxima a km/s, que é equivalente a km/h. Quanto a direção de propagação as ondas são classificadas como: Unidimensionais: que se propagam em apenas uma direção, como as ondas em cordas e molas esticadas; Bidimensionais: são aquelas que se propagam por uma superfície, como as água em um lago quando se joga uma pedra; Tridimensionais: são capazes de se propagar em todas as dimensões, como a luz e o som. Quanto à direção da vibração as ondas podem ser classificadas como: Transversais: são as que são causadas por vibrações perpendiculares à propagação da onda, como, por exemplo, em uma corda: Colégio A. LIESSIN Scholem Aleichem NANDA/OUT/
2 Longitudinais: são ondas causadas por vibrações com mesma direção da propagação, como as ondas sonoras. Componentes de uma onda Uma onda é formada por alguns componentes básicos que são: Sendo A a amplitude da onda. É denominado comprimento da onda, e expresso pela letra grega lambida (λ), a distância entre duas cristas ou dois vales consecutivos. Chamamos período da onda (T) o tempo decorrido até que duas cristas ou dois vales consecutivos passem por um ponto e freqüência da onda (f) o número de cristas ou vales consecutivos que passam por um mesmo ponto, em uma determinada unidade de tempo. Portanto, o período e a freqüência são relacionados por: A unidade internacionalmente utilizada para a freqüência é Hertz (Hz) sendo que 1Hz equivale à passagem de uma crista ou de um vale em 1 segundo. Velocidade de propagação das ondas Como não transportam matéria em seu movimento, é previsível que as ondas se desloquem com velocidade contínua, logo estas devem ter um deslocamento que valide a expressão: Que é comum aos movimentos uniformes, mas conhecendo a estrutura de uma onda: Colégio A. LIESSIN Scholem Aleichem NANDA/OUT/
3 Podemos fazer que ΔS=λ e que Δt=T Assim: Sendo esta a equação fundamental da Ondulatória, já que é valida para todos os tipos de onda. É comum utilizar-se frequências na ordem de khz (1quilohertz = 1000Hz) e de MHz (1megahertz = Hz) Reflexão em ondas unidimensionais Esta análise deve ser dividida oscilações com extremidade fixa e com extremidade livre: Com extremidade fixa: Quando um pulso (meia-onda) é gerado, faz cada ponto da corda subir e depois voltar a posição original, no entanto, ao atingir uma extremidade fixa, como uma parede, a força aplicada nela, pelo princípio da ação e reação, reage sobre a corda, causando um movimento na direção da aplicação do pulso, com um sentido inverso, gerando um pulso refletido. Assim como mostra a figura abaixo: Colégio A. LIESSIN Scholem Aleichem NANDA/OUT/
4 Para este caso costuma-se dizer que há inversão de fase já que o pulso refletido executa o movimento contrário ao do pulso incidente. Com extremidade livre: Considerando uma corda presa por um anel a uma haste idealizada, portanto sem atrito. Ao atingir o anel, o movimento é continuado, embora não haja deslocamento no sentido do pulso, apenas no sentido perpendicular a este. Então o pulso é refletido em direção da aplicação, mas com sentido inverso. Como mostra a figura: Para estes casos não há inversão de fase, já que o pulso refletido executa o mesmo movimento do pulso incidente, apenas com sentido contrário. É possível obter-se a extremidade livre, amarrando-se a corda a um barbante muito leve, flexível e inextensível. Refração de ondas É o fenômeno que ocorre quando uma onda passa de um meio para outro de características distintas, tendo sua direção desviada. Independente de cada onda, sua frequência não é alterada na refração, no entanto, a velocidade e o comprimento de onda podem se modificar. Através da refração é possíveis explicar inúmeros efeitos, como o arco-íris, a cor do céu no pôr-do-sol e a construção de aparelhos astronômicos. A refração de ondas obedece duas leis que são: 1ª Lei da Refração: O raio incidente, a reta perpendicular à fronteira no ponto de incidência e o raio refratado estão contidos no mesmo plano. Lei de Snell: Esta lei relaciona os ângulos, as velocidades e os comprimentos de onda de incidência de refração, sendo matematicamente expressa por: Colégio A. LIESSIN Scholem Aleichem NANDA/OUT/
5 Aplicando a lei: Conforme indicado na figura: Como exemplos da refração, podem ser usadas ondas propagando-se na superfície de um líquido e passando por duas regiões distintas. É possível verificar experimentalmente que a velocidade de propagação nas superfícies de líquidos pode ser alterada modificando-se a profundidade deste local. As ondas diminuem o módulo de velocidade ao se diminuir a profundidade. Difração de ondas Partindo do Princípio de Huygens, podemos explicar um outro fenômeno ondulatório, a difração. O fenômeno chamado difração é o encurvamento sofrido pelos raios de onda quando esta encontra obstáculos à propagação. Imagine a situação em que uma onda se propaga em um meio, até onde encontra uma fenda posta em uma barreira. Colégio A. LIESSIN Scholem Aleichem NANDA/OUT/
6 Este fenômeno prova que a generalização de que os raios de onda são retilíneos é errada, já que a parte que atinge a barreira é refletida, enquanto os raios que atingem a fenda passam por ela, mas nem todas continuam retas. Se esta propagação acontecesse em linha reta, os raios continuariam retos, e a propagação depois da fenda seria uma faixa delimitada pela largura da fenda. No entanto, há um desvio nas bordas. Este desvio é proporcional ao tamanho da fenda. Para o caso onde esta largura é muito inferior ao comprimento de onda, as ondas difratadas serão aproximadamente circulares, independente da forma geométrica das ondas incidentes. Intensidade sonora A intensidade do som é a qualidade que nos permite caracterizar se um som é forte ou fraco e depende da energia que a onda sonora transfere. A intensidade sonora (I) é definida fisicamente como a potência sonora recebida por unidade de área de uma superfície, ou seja: Mas como a potência pode ser definida pela relação de energia por unidade de tempo: Então, também podemos expressar a intensidade por: As unidades mais usadas para a intensidade são J/m² e W/m². É chamada mínima intensidade física, ou limiar de audibilidade, o menor valor da intensidade sonora ainda audível: É chamada máxima intensidade física, ou limiar de dor, o maior valor da intensidade sonora suportável pelo ouvido: Conforme um observador se afasta de uma fonte sonora, a intensidade sonora ou nível sonoro (β) diminui logaritmicamente, sendo representado pela equação: A unidade utilizada para o nível sonoro é o Bel (B), mas como esta unidade é grande comparada com a maioria dos valores de nível sonoro utilizados no cotidiano, seu múltiplo usual é o decibel (db), de maneira que 1B=10dB. Tubos sonoros Assim como as cordas ou molas, a ar ou gás contido dentro de um tubo pode vibrar com freqüências sonoras, este é o princípio que constitui instrumentos musicais como a flauta, corneta, clarinete, etc. que são construídos basicamente por tubos sonoros. Nestes instrumentos, uma coluna de ar é posta a vibrar ao soprar-se uma das extremidades do tubo, chamada embocadura, que possui os dispositivos vibrantes apropriados. Os tubos são classificados como abertos e fechados, sendo os tubos abertos aqueles que têm as duas extremidades abertas (sendo uma delas próxima à embocadura) e os tubos fechados que são os que têm uma extremidade aberta (próxima à embocadura) e outra fechada. Colégio A. LIESSIN Scholem Aleichem NANDA/OUT/
7 As vibrações das colunas gasosas podem ser estudadas como ondas estacionárias resultantes da interferência do som enviado na embocadura com o som refletido na outra extremidade do tubo. Em uma extremidade aberta o som reflete-se em fase, formando um ventre (interferência construtiva) e em uma extremidade fechada ocorre reflexão com inversão de fase, formando-se um nó de deslocamento (interferência destrutiva). Tubos abertos Considerando um tubo sonoro de comprimento l, cujas ondas se propagam a uma velocidade v. Assim as possíveis configurações de ondas estacionárias são: As maneiras de vibrar podem, partindo destes exemplos, ser generalizadas como: E a freqüência dos harmônicos será dada por: Como n não tem restrições, no tubo aberto, obtêm-se freqüências naturais de todos os harmônicos. Tubos fechados Considerando um tubo sonoro de comprimento l, cujas ondas se propagam a uma velocidade v. Colégio A. LIESSIN Scholem Aleichem NANDA/OUT/
8 Assim as possíveis configurações de ondas estacionárias são: As maneiras de vibrar podem, partindo destes exemplos, ser generalizadas como: E a frequência dos harmônicos será dada por: Em um tubo fechado, obtêm-se apenas frequências naturais dos harmônicos ímpares. Efeito Doppler Este efeito é descrito como uma característica observada em ondas emitidas ou refletidas por fontes em movimento relativo ao observador. O efeito foi descrito teoricamente pela primeira vez em 1842 por Johann Christian Andreas Doppler, recebendo o nome Efeito Doppler em sua homenagem. Para ondas sonoras, o efeito Doppler constitui o fenômeno pelo qual um observador percebe freqüências diferentes das emitidas por uma fonte e acontece devido à velocidade relativa entre o a onda sonora e o movimento relativo entre o observador e/ou a fonte. Considerando: Colégio A. LIESSIN Scholem Aleichem NANDA/OUT/
9 Podemos determinar uma fórmula geral para calcular a freqüência percebida pelo observador, ou seja, a freqüência aparente. Supondo que o observador esteja em repouso e a fonte se movimente: Para o caso onde a fonte se aproxima do observador, há um encurtamento do comprimento da onda, relacionado à velocidade relativa, e a freqüência real será menor que a observada, ou seja: Mas, como a fonte se movimenta, sua velocidade também deve ser considerada, de modo que: Substituindo no cálculo da frequência observada: Ou seja: Para o caso onde a fonte se afasta do observador, há um alongamento aparente do comprimento de onda, nesta situação a dedução do cálculo da frequência observada será análoga ao caso anterior. No entanto: Então: Podemos escrever uma fórmula geral para os casos onde a fonte se desloque e o observador fique parado, se utilizarmos: Sendo o sinal negativo utilizado no caso onde a fonte se aproxima e positivo no caso em que a fonte se afasta. Colégio A. LIESSIN Scholem Aleichem NANDA/OUT/
10 Supondo que a fonte esteja em repouso e o observador se movimente: No caso em que o observador se aproxima da fonte, em um mesmo intervalo de tempo ele encontrará mais frentes de onda do que se estivesse parado. Assim a frequência observada deverá ser maior que a frequência emitida pela fonte. Neste caso, o comprimento de onda não é alterado, mas a velocidade de propagação é ligeiramente aumentada. Mas: e Quando estes dois valores são substituídos no cálculo da frequência observada temos: Então: No caso em que o observador se afasta da fonte, em um mesmo intervalo de tempo ele encontrará menor número de frentes de onda do que se estivesse parado. Assim a frequência observada deverá ser menor que a frequência emitida pela fonte. A dedução do cálculo da frequência observada será análoga ao caso anterior, no entanto a velocidade de propagação é ligeiramente reduzida. Mas: e Quando estes dois valores são substituídos no cálculo da frequência observada temos: Então: Podemos escrever uma fórmula geral para os casos onde o observador se desloque e a fonte fique parada, se utilizarmos: Sendo o sinal negativo utilizado no caso onde a fonte se aproxima e positivo no caso em que a fonte se afasta. Conhecendo estas quatro possibilidades de alteração na frequência de onda observada podemos escrever uma fórmula geral para o efeito Doppler se combinarmos todos os resultados, sendo ela: Colégio A. LIESSIN Scholem Aleichem NANDA/OUT/
11 Sendo utilizados os sinais convenientes para cada caso.... EXERCÍCIOS 1. (UFG) As ondas eletromagnéticas foram previstas por Maxwell e comprovadas experimentalmente por Hertz (final do século XlX). Essa descoberta revolucionou o mundo moderno. Sobre as ondas eletromagnéticas são feitas as afirmações: I. Ondas eletromagnéticas são ondas longitudinais que se propagam no vácuo com velocidade constante c = 3,0 108 m/s. II. Variações no campo magnético produzem campos elétricos variáveis que, por sua vez, produzem campos magnéticos também dependentes do tempo e assim por diante, permitindo que energia e informações sejam transmitidas a grandes distâncias. III. São exemplos de ondas eletromagnéticas muito freqüentes no cotidiano: ondas de rádio, sonoras, microondas e raios X. Está correto o que se afirma em: a) I, apenas. b) II, apenas. c) I e II, apenas. d) I e III, apenas. e) II e III, apenas. 2. (UFMG) Enquanto brinca, Gabriela produz uma onda transversal em uma corda esticada. Em certo instante, parte dessa corda tem a forma mostrada na figura a seguir. A direção de propagação da onda na corda também está indicada na figura. Assinale a alternativa em que estão representados CORRETAMENTE a direção e o sentido do deslocamento do ponto P da corda, no instante mostrado. Colégio A. LIESSIN Scholem Aleichem NANDA/OUT/
12 3. (UFSM) Quando o badalo bate num sino e o faz vibrar comprimindo e rarefazendo o ar nas suas proximidades, produz-se uma onda sonora. As ondas sonoras no ar são e. A velocidade das ondas sonoras em outro meio é. Selecione a alternativa que preenche corretamente as lacunas. a) eletromagnéticas - transversais - igual b) mecânicas - longitudinais - igual c) mecânicas - transversais - diferente d) eletromagnéticas - longitudinais - igual e) mecânicas - longitudinais - diferente 4. (UFPEL) Recentemente o físico Marcos Pontes se tornou o primeiro astronauta brasileiro a ultrapassar a atmosfera terrestre. Diariamente existiam contatos entre Marcos e a base, e alguns deles eram transmitidos através dos meios de comunicação. Com base no texto e em seus conhecimentos, é correto afirmar que conseguíamos "ouvir" e "falar" com Marcos porque, para essa conversa, estavam envolvidas a) apenas ondas mecânicas - transversais - já que estas se propagam, tanto no vácuo como no ar. b) apenas ondas eletromagnéticas - longitudinais - já que estas se propagam, tanto no vácuo como no ar. c) ondas eletromagnéticas - transversais - que apresentam as mesmas freqüências, velocidade e comprimento de onda, ao passar de um meio para outro. d) ondas mecânicas - transversais - que apresentam as mesmas freqüências, velocidade e comprimento de onda, ao passar de um meio para outro. e) tanto ondas eletromagnéticas - transversais - que se propagam no vácuo, como ondas mecânicas - longitudinais - que necessitam de um meio material para a sua propagação. 5. (UNIFESP-SP) A figura representa um pulso se propagando em uma corda. Pode-se afirmar que, ao atingir a extremidade dessa corda, o pulso se reflete a) se a extremidade for fixa e se extingue se a extremidade for livre. b) se a extremidade for livre e se extingue se a extremidade for fixa. c) com inversão de fase se a extremidade for livre e com a mesma fase se a extremidade for fixa. d) com inversão de fase se a extremidade for fixa e com a mesma fase se a extremidade for livre. e) com mesma fase, seja a extremidade livre ou fixa. 6. (FGV-SP) A figura mostra um pulso que se aproxima de uma parede rígida onde está fixada a corda. Supondo que a superfície reflita perfeitamente o pulso, deve-se esperar que no retorno, após uma reflexão, o pulso assuma a configuração indicada em Colégio A. LIESSIN Scholem Aleichem NANDA/OUT/
13 7. (UFC-CE) A figura mostra duas fotografias de um mesmo pulso que se propaga em uma corda de 15m de comprimento e densidade linear uniforme, tensionada ao longo da direção x. As fotografias foram tiradas em dois instantes de tempo, separados de 1,5s. Durante esse intervalo de tempo o pulso sofreu uma reflexão na extremidade da corda que está fixa na parede P. Observando as fotografias, verificamos que a velocidade de propagação do pulso na corda, suposta constante é: a) 4m/s b) 6m/s c) 8m/s d) 10m/s e) 12m/s 8. (UFMG-MG) O muro de uma casa separa Laila de sua gatinha. Laila ouve o miado da gata, embora não consiga enxergá-la. Nessa situação, Laila pode ouvir, mas não pode ver sua gata, PORQUE a) a onda sonora é uma onda longitudinal e a luz é uma onda transversal. b) a velocidade da onda sonora é menor que a velocidade da luz. c) a freqüência da onda sonora é maior que a freqüência da luz visível. d) o comprimento de onda do som é maior que o comprimento de onda da luz visível. 9. (UNESP-SP) A figura representa esquematicamente as frentes de onda de uma onda reta na superfície da água, propagando-se da região 1 para a região 2. Essas regiões são idênticas e separadas por uma barreira com abertura. A configuração das frentes de onda observada na região 2, que mostra o que aconteceu com a onda incidente ao passar pela abertura, caracteriza o fenômeno da a) absorção. b) difração. c) dispersão. d) polarização. e) refração. Colégio A. LIESSIN Scholem Aleichem NANDA/OUT/
14 10. (UFG) Um funcionário de um banco surpreende-se ao ver a porta da caixa-forte entreaberta e, mesmo sem poder ver os assaltantes no seu interior, ouve a conversa deles. A escuta é possível graças à combinação dos fenômenos físicos da: a) interferência e reflexão. b) refração e dispersão. c) difração e reflexão. d) interferência e dispersão. e) difração e refração. Gabarito 1 B 2 B 3 E 4 E 5 D 6 D 7 E 8 D 9 B 10 C Colégio A. LIESSIN Scholem Aleichem NANDA/OUT/
Aluno (a): Série: 3ª Turma: TUTORIAL 14R Ensino Médio Equipe de Física Data: Classificação das ondas FÍSICA ONDAS Uma onda é um movimento causado por uma perturbação, e esta se propaga através de um meio.
Colégio Santa Catarina Unidade XI: Ondulatória e Movimento Harmônico Simples 91 Unidade XI: Ondulatória e Movimento Harmônico Simples (MHS)
Colégio Santa Catarina Unidade XI: Ondulatória e Movimento Harmônico Simples 91 Unidade XI: Ondulatória e Movimento Harmônico Simples (MHS) 11.1 - Movimento Harmônico Simples (MHS): Todo movimento harmônico