Unidade 2 - Ondas e fenômenos ondulatórios

Prévia do material em texto

Série: 2° Anos Turma(s): H, N e O. Turno(s): Vespertino e Noturno. Bimestre: 2° 
Disciplina: Física.
 Professor: Genival Gonçalves da Costa Santos
Considerações
Unidade: 2 Ondas e fenômenos ondulatórios.
Página(s): 18 a 37.
Os fenômenos ondulatórios são comportamentos que as ondas possuem ao se propagarem e esbarrarem com diferentes obstáculos, superfícies ou meios.
Exemplos de fenômenos ondulatórios: reflexão, absorção, refração, dispersão e difração. (2º Ano: H, N e O – 15/05/2023)
Os fenômenos ondulatórios dizem respeito a comportamentos específicos das ondas ao encontrarem um obstáculo, superfície ou meio diferente do qual ela estava antes. Eles ocorrem para qualquer tipo de onda, mas é mais comum estudarmos com as ondas de luz visível. Os sete tipos mais comuns de fenômenos ondulatórios são:
· Reflexão: Ocorre quando a onda esbarra em um objeto sólido e volta para o mesmo meio. Sua velocidade, frequência e comprimento permanecem da mesma forma. Em virtude da 1ª Lei da Reflexão, o ângulo das ondas que incidem é o mesmo que das ondas que refletem.
Existem dois tipos de reflexão de onda: Especular ou Regular e a Difusa.
Reflexão Especular ou Regular: A superfície refletora é extremamente polida. É organizada e é possível a formação de imagens. 
Reflexão Difusa: A superfície possui rugosidades, fazendo com que os raios refletidos se dirijam para diferentes pontos, não possibilitando a formação de imagens nítidas.
· Refração: Ocorre quando a onda atravessa um meio diferente e é desviada. Cada meio possui uma dificuldade diferente de passagem da onda. Meios mais difíceis (como o vidro) possuem índices de refração (N) maiores que meios nos quais a onda passa com mais facilidade (como o ar).
Refração da luz passando do ar para o vidro.
Há a mudança de meio, sua velocidade, direção e comprimento de onda mudam, mas sua frequência permanece a mesma (pois só depende da fonte que emite a onda). Por meio da Lei de Snell-Descartes, é possível achar os ângulos de incidência e refração que são diferentes.
· Polarização: Ocorre quando a onda é orientada em apenas uma direção. Isso ocorre quando a onda (que pode estar em diversas direções) passa por um polarizador e começa a vibrar na mesma direção do polarizador.
Ondas de luz visível sendo polarizadas verticalmente.
Somente ondas transversais (que possuem a direção de propagação diferente da direção de vibração) podem ser polarizadas, devido à variação da amplitude.
· Dispersão: A dispersão acontece com as ondas luminosas, como quando a luz branca é destrinchada nos outros feixes de cores ao esbarrar em objetos como primas de vidro.
Luz branca sofrendo dispersão.
· Difração: Ocorre quando a onda encontra um obstáculo e consegue propagar-se através de uma abertura ou contornando o obstáculo.
Onda sofrendo difração.
Embora a onda consiga atravessar o obstáculo, a quantidade de energia da onda se perde no processo. 
· Interferência: Ocorre quando a onda esbarra em outra onda. Há dois tipos de interferências: construtiva e destrutiva.
Interferência construtiva e interferência destrutiva em ondas.
Interferência Construtiva: Ondas com a mesma fase se combinam, formando uma onda de maior amplitude. 
Interferência Destrutiva: Ondas com fases diferentes e frequências próximas se subtraem, anulando-se.
· Ressonância: Ocorre quando uma onda externa tem a mesma vibração que a vibração de algum outro corpo. A vibração externa é absorvida pela interna e, assim, a vibração natural é ampliada.
Fenômenos Ondulatórios no Cotidiano
Os fenômenos ondulatórios estão ocorrendo o tempo todo no nosso mundo. O ser humano foi capaz de estudá-los e aplicá-los para facilitar processos no nosso cotidiano.
· Objetos extremamente polidos geram uma reflexão regular, como os espelhos.
Espelhos criam imagens, pois sofrem o fenômeno de reflexão regular ou especular.
· Vemos o efeito da refração ao colocar objetos em diferentes meios, como o ar e água.
Lápis em diferentes meios (ar e água) sofrendo refração.
· Em óculos solares, é utilizado o efeito de polarização para diminuir a quantidade de radiação eletromagnética que chega até os nossos olhos.
· Um exemplo de fenômeno onde podemos encontrar a dispersão é a formação de um arco-íris, que ocorre quando a luz branca, do Sol, sofre reflexão e refração nas gotículas de água e é dispersada.
Formação do arco-íris, dispersando a luz branca do Sol em infinitas cores.
· Devido à ressonância, temos equipamentos capazes de registrar imagens, como ocorre na ressonância magnética:
Equipamento de ressonância magnética
· A difração pode ser percebida quando escutamos algo, mesmo que tenha vindo de outro ambiente.
· A interferência ocorre muito nas telecomunicações, causando ruídos ou interferências nas imagens.
Importante(s):
· A interferência de ondas entre aparelhos eletrônicos ocorre principalmente devido à proximidade entre as frequências das ondas. Por essa razão, é necessário desligar os celulares para que as ondas eletromagnéticas desses dispositivos, que são próximas das ondas de rádios dos equipamentos de comunicação, não sejam afetadas.
· A condição para alterar a frequência de uma onda é a fonte mudar a emissão. Quando a luz atravessa um meio que possui mais resistência, o índice de refração é maior e, por isso, ela tem mais dificuldade de ultrapassar, diminuindo assim seu comprimento de onda e sua velocidade. 
· O corpo humano emite radiação eletromagnética majoritariamente na região do infravermelho.
· Ondas mecânicas precisam de um meio material para se propagarem.
· Ondas eletromagnéticas tanto podem se propagar no vácuo quanto em um meio material e que a luz é uma onda eletromagnética.
Ondas Periódicas
São formadas por pulsos com período constante. Embora a perturbação do meio seja propagada por ele todo, se selecionarmos um único ponto da onda, perceberemos que ele permanecerá no mesmo local durante o movimento. Como qualquer onda, as periódicas possuem crista, vale, frequência, comprimento de onda, período e velocidade de propagação.
O que são ondas periódicas?
As ondas periódicas são perturbações no meio provocadas por uma fonte com período constante, ou seja, o intervalo para completar um pulso ou uma oscilação é um valor constante.
Exemplo de uma onda periódica transversal formada em uma mola
Classificação das ondas periódicas
Como qualquer onda, as ondas periódicas podem ser classificadas em relação a sua natureza, direção de propagação e de vibração.
→ Classificação das ondas periódicas quanto à natureza: 
· Mecânica: Ondas que precisam de um meio para se propagar, como a onda do mar e a onda sonora.
· Eletromagnética: Ondas que não precisam de um meio material para se propagar, como a luz.
→ Classificação das ondas periódicas quanto à direção de propagação:
· Unidimensional: ondas que se propagam em apenas uma direção, como um pulso em uma corda.
· Bidimensional: ondas que se propagam em duas dimensões, como ondas na superfície de uma piscina.
· Tridimensional: ondas que se propagam em todas as direções, como a onda sonora.
→ Classificação das ondas periódicas quanto à direção de vibração: 
· Longitudinal: ondas que possuem a direção de vibração da fonte igual à direção de propagação da onda, como a onda sonora saindo de um equipamento de som.
· Transversal: ondas que possuem a direção de vibração perpendicular à direção de propagação da onda, como a onda de uma corda.
Elementos das ondas periódicas
As ondas periódicas, como qualquer onda, possuem: amplitude (A), comprimento de onda (λ), frequência (f), período (T) e velocidade de propagação (v).
· Amplitude (A): É a distância entre o eixo central e o ponto mais alto (crista) ou mais baixo da onda (vale). Sua unidade de medida no Sistema Internacional é o metro (m).
· Comprimento de onda (λ): é a medida de um ciclo completo da onda, que pode ser medido entre duas cristas, dois vales ou entre uma crista e um vale. Sua unidade de medida no S.I. é o metro (m).
· Frequência (f): É a quantidade de ciclos em um determinado intervalo de tempo. Seas cristas e os vales estão muito próximos, isso significa que a frequência da onda é alta, do contrário, a frequência é baixa. Sua unidade de medida no S.I. é o hertz (Hz).
· Período (T): É o intervalo de tempo para se completar um ciclo de onda. Por isso, o período é medido no intervalo de um comprimento de onda. Sua unidade de medida no S.I. é o segundo (s).
· Velocidade de Propagação (v): Muda dependendo do meio onde a onda está, e é dada pela equação fundamental da ondulatória: V = λ/T = λ . f. Sua unidade de medida no S.I. é o metro por segundo (m/s).
Fórmulas das ondas periódicas
Para encontrar o período ou a frequência de uma onda periódica, basta relacionar essas duas grandezas.
Para encontrar e frequência:
Para encontrar o período:
Para encontrar a velocidade de propagação de uma onda, basta utilizar a equação de velocidade na cinemática, que, adaptada para a ondulatória, é chamada de equação fundamental da ondulatória:
Substituindo o deslocamento linear pelo deslocamento da onda e o intervalo de tempo pelo período:
Comprimento de onda
O comprimento de onda é a distância de um ciclo de onda. Esse comprimento pode ser encontrado entre duas cristas, pontos mais altos da onda, ou entre dois vales, pontos mais baixos da onda.
O comprimento de onda é medido em metros e representado pela letra grega λ. Os pontos mais altos, as cristas, vibram em concordância de fase. Os pontos mais baixos, os vales, também vibram em concordância. Contudo, as cristas e os vales vibram em oposição de fase entre si.
Resumo sobre ondas periódicas
· Ondas periódicas possuem período constante.
· Período é o intervalo de tempo de um pulso completar uma oscilação.
· As características dessas ondas são: amplitude (crista e vale), comprimento de onda, frequência, período e velocidade de propagação.
· Os pontos das cristas e dos vales oscilam em oposição de fase entre si.
· Os pontos das cristas oscilam em concordância de fase.
· Os pontos dos vales oscilam em concordância de fase.
· A frequência e o período se relacionam pelo inverso um do outro.
· Com a equação fundamental da ondulatória, é possível encontrar a velocidade de propagação da onda: v = λ . f.
Vídeos: 
1. https://www.youtube.com/watch?v=KINW7rg8cpY - Ciência é Tudo | As transformações da TV Digital. 
2. https://www.youtube.com/watch?v=HzN5-2Pn1E0 - Ondulatória - Ondas mecânicas e Eletromagnéticas - Transversais e Longitudinais. 
 Série: 2° Anos Turma(s): H, N e O. Turno(s): Vespertino e Noturno. Bimestre: 2° 
Disciplina: Física.
 Professor: Genival Gonçalves da Costa Santos
Unidade: 2 Ondas e fenômenos ondulatórios.
Página(s): 18 a 37.
Sala
Página(s): 32 Exercício(s): 1, 2, 3 e 4. 
1. (ITA-SP) Considere as seguintes afirmações relativas às formas de ondas mostradas na figura a seguir e marque V para as verdadeiras e F para as falsas.
( ) A onda A é conhecida como onda longitudinal e seu comprimento de onda é igual à metade do comprimento de onda da onda B.
( ) Uma onda sonora propagando-se no ar é melhor descrita pela onda A, onde as regiões escuras são chamadas de regiões de compressão e as regiões claras, de regiões de rarefação.
( ) Se as velocidades das ondas A e B são iguais e permanecem constantes e ainda, se o comprimento de onda da onda B é duplicado, então o período da onda A é igual ao período da onda B.
Solução: 
(F) A onda A é conhecida como onda longitudinal e seu comprimento de onda é igual à metade do comprimento de onda da onda B.
(V) Uma onda sonora propagando-se no ar é melhor descrita pela onda A, onde as regiões escuras são chamadas de regiões de compressão e as regiões claras, de regiões de rarefação.
(F) Se as velocidades das ondas A e B são iguais e permanecem constantes e ainda, se o comprimento de onda da onda B é duplicado, então o período da onda A é igual ao período da onda B.
Justificativa: Os comprimentos de ondas são iguais, a velocidade é igual, os períodos serão iguais, pois VA= A /TA e VB= B/TB sendo VA=VB, A = B então TA= TB. Se o comprimento de onda de B for duplicando, então o período de B será o dobro do período de A.
2. Em um laboratório de Física, o professor coloca dentro de uma campânula de vidro, onde se faz vácuo, um LED, aceso e um despertador cujo alarme está soando. Ao olhar para a campânula é possível enxergar a luz do LED, mas não se pode ouvir o som do alarme do despertador. Explique o porquê.
Solução / Justificativa: O som, por se tratar de uma onda mecânica, necessita de um meio material para sua propagação; já a luz, por ser uma onda eletromagnética, propaga-se na ausência de matéria. Como na campânula se faz vácuo, somente uma onda eletromagnética consegue se propagar.
3. (ENEM) Leia o excerto a seguir.
Alguns sistemas de segurança incluem detectores de movimento. Nesses sensores, existe uma substância que se polariza na presença de radiação eletromagnética de certa região de frequência, gerando uma tensão que pode ser amplificada e empregada para efeito de controle. Quando uma pessoa se aproxima do sistema, a radiação emitida por seu corpo é detectada por esse tipo de sensor.
WENDLING, Marcelo. Sensores. Disponível em:
www2.feg.unesp.br. Acesso em: 7 maio 2014. Adaptado.
A radiação captada por esse detector encontra-se na região de frequência: 
a) Da luz visível.
b) Do ultravioleta.
c) Do infravermelho.
d) Das micro-ondas.
e) Das ondas longas de rádio.
Solução: Alternativa: c) Do infravermelho.
Justificativa: O corpo humano emite radiação eletromagnética majoritariamente na região do infravermelho.
4. Julgue as sentenças a seguir como verdadeiras ou falsas e justifique sua resposta.
( ) As ondas mecânicas não se propagam no vácuo.
( ) As ondas eletromagnéticas se propagam somente no vácuo.
( ) A luz se propaga tanto no vácuo quanto em meios materiais, por isso é uma onda eletromecânica.
Solução: 
(Verdadeira) As ondas mecânicas não se propagam no vácuo.
(Falsa) As ondas eletromagnéticas se propagam somente no vácuo.
(Falsa) A luz se propaga tanto no vácuo quanto em meios materiais, por isso é uma onda eletromecânica.
Justificativa: Ondas mecânicas precisam de um meio material para se propagarem. Logo, elas não se propagam no vácuo. As duas últimas são falsas, já que ondas eletromagnéticas tanto podem se propagar no vácuo quanto em um meio material e que a luz é uma onda eletromagnética. Pode se propagar tanto no vácuo como em um meio material transparente ou translúcido. 
Página(s): 34 e 35 Exercício(s): 12, 1 e 2 e 3. 
12. A ponte de Tacoma, nos Estados Unidos, entrou em vibração e foi completamente destruída ao receber impulsos periódicos do vento. O fenômeno que melhor explica esse fato é a ressonância. Explique o que é necessário para que um corpo vibre em ressonância com outro.
Solução: Para que o fenômeno da ressonância entre dois corpos ocorra eles devem apresentar frequências naturais iguais.
1. (UFSM-RS) 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 diferente.
e) Mecânicas - longitudinais – diferente. 
Solução: Alternativa: e) Mecânicas - longitudinais – diferente.
Justificativa: O som é uma onda mecânica (tipo de onda que precisa de um meio de propagação), tridimensional (propaga-se em todas as direções) e longitudinal (o tipo de vibração que gera é paralela à sua propagação). A velocidade de propagação do som depende das características do meio no qual ocorre a propagação, assim ela é diferente para cada meio.
2. (FATEC-SP) Leia o texto a seguir e responda ao que se pede: 
O espaço, a fronteira final... 
Capitão James T. Kirk – USS Enterprise, 1966
Em 2017, a missão Voyager sagrou-se como a mais longevamissão ainda em operação. Quando foram lançadas as espaçonaves Voyager 1 e Voyager 2, respectivamente em 5 de setembro e 20 de agosto de 1977, tinham o objetivo de explorar os limites do sistema solar.
A Voyager 1, uma espaçonave relativamente leve, com massa aproximada de 700 kg, foi lançada no momento em que os quatro planetas gasosos do sistema Solar estavam alinhados, fato que ocorre a cada 175 anos. Esse fato foi importante para que a missão fosse bem-sucedida, uma vez que a intenção era utilizar o campo gravitacional desses planetas para “estilingar” (impulsionar) a trajetória da viagem.
Cada nave continha em seu interior um disco de 12 polegadas feito de cobre e revestido de ouro. Os discos contêm dados selecionados com o intuito de mostrar a diversidade da vida no planeta Terra. Um grupo de pesquisadores liderados pelo astrônomo Carl Sagan (1934-1996) selecionou 117 imagens, variados sons da Natureza, músicas e saudações de diferentes culturas em 54 idiomas.
Em 2017, a Voyager 1 encontrava-se a cerca de 21 bilhões de quilômetros de distância da Terra, cerca de 140 UA (unidades astronômicas), ou seja, 140 vezes a distância média da Terra ao Sol. Em sua trajetória, contribuiu com muitas descobertas e diversos estudos, desde vulcões ativos fora da Terra até
o estudo dos raios cósmicos e dos ventos solares (partículas carregadas emitidas ao espaço oriundas de explosões solares). Junto com a Voyager 2, descobriu que o campo magnético interestelar provoca uma assimetria na bolha formada pelo vento solar (a heliosfera).
A Nasa estima que as baterias de Plutônio, destinadas a manter um sistema de cerca de 300 watts em funcionamento, devam durar ainda mais 10 anos. Esse tempo será precioso para a coleta de mais dados transmitidos pelas espaçonaves, dados esses que são recebidos após 12 a 14 horas da emissão do sinal à recepção deste na Terra. Em homenagem aos 40 anos da missão, a Nasa divulgou diversas informações, imagens, dados e curiosidades em sua página na internet:
http://voyager.jpl.nasa.gov.
Segundo o texto, a emissão de sinais da Voyager 1 leva de 12 a 14 horas para chegar à Terra. Isto se deve ao fato de que esses sinais são ondas
a) Mecânicas, que viajam a velocidades próximas da luz.
b) Mecânicas, que viajam a velocidades próximas do som.
c) Eletromagnéticas, que viajam a velocidades próximas da luz.
d) Eletromagnéticas, que viajam a velocidades próximas do som.
e) eletromagnéticas, que viajam a velocidades próximas da Voyager 1.
Solução / Justificativa: Alternativa: c) Eletromagnéticas, que viajam a velocidades próximas da luz.
3. (UNESP) Radares são emissores e receptores de ondas de rádio e têm aplicações, por exemplo, na determinação de velocidades de veículos nas ruas e rodovias. Já os sonares são emissores e receptores de ondas sonoras, sendo utilizados no meio aquático para determinação da profundidade dos oceanos, localização de cardumes, dentre outras aplicações. Comparando-se as ondas emitidas pelos radares e pelos sonares, temos que: 
a) As ondas emitidas pelos radares são mecânicas e as ondas emitidas pelos sonares são eletromagnéticas.
b) Ambas as ondas exigem um meio material para se propagarem e, quanto mais denso for esse meio, menores serão suas velocidades de propagação.
c) As ondas de rádio têm oscilações longitudinais e as ondas sonoras têm oscilações transversais.
d) As frequências de oscilação de ambas as ondas não dependem do meio em que se propagam. 
e) A velocidade de propagação das ondas dos radares pela atmosfera é menor do que a velocidade de propagação das ondas dos sonares pela água.
Solução: Alternativa: d) As frequências de oscilação de ambas as ondas não dependem do meio em que se propagam. 
Justificativa: Em relação às ondas emitidas pelos radares e pelos sonares, é possível dizer que radares emitem ondas de rádio, que são ondas eletromagnéticas, sendo, portanto, transversais, as quais podem se propagar no vácuo; sonares emitem ondas sonoras, que são ondas longitudinais e mecânicas, necessitando de um meio material para se propagarem; a velocidade de propagação das ondas de rádio pela atmosfera é maior que a das ondas sonoras pela água; e a frequência de oscilação de qualquer onda depende apenas de sua fonte. Logo, não depende do meio em que se propaga.
2