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ONDA “É o movimento de uma perturbação que se propaga através através de um meio.” “ Considere uma pessoa realizando um movimento vertical brusco na extremidade de uma corda, produzindo uma perturbação que se deslocará ao longo da corda.” “ Cada perturbação denomina-se pulso, o movimento do pulso denomina-se onda, a mão da pessoa funciona como fonte e a corda onde se propaga a onda denomina-se meio. Ao conjunto das ondas sucessivas chamamos Trem de ondas.” “A perturbação causada pela queda de um pequeno corpo numa superfície líquida, origina um movimento que se propaga pela superfície do líquido como circunferências concêntricas, afastando-se do ponto de impacto.” Se colocarmos uma rolha flutuante, próximo ao ponto de impacto, verificamos que ela não é arrastada, apenas oscila, subindo e descendo sempre na direção vertical. Portanto: UMA ONDA TRANSMITE ENERGIA SEM O TRANSPORTE DE MATÉRIA. Ex: Quando se atira uma pedra num lago de águas paradas. A onda na água (vista de perfil) cede energia ao pedaço de cortiça flutuante. CLASSIFICAÇÃO QUANTO À DIREÇÃO DE PROPAGAÇÃO DAS ONDAS UNIDIMENSIONAIS: Quando se propagam numa só direção, como numa corda BIDIMENSIONAIS: Quando se propagam ao longo de um plano, como na superfície da água. TRIDIMENSIONAIS: Quando se propagam em todas as direções, como as ondas sonoras no ar. CLASSIFICAÇÃO QUANTO A NATUREZA DAS ONDAS ONDAS MECÂNICAS: Originadas pela deformação em um meio elástico e necessitam de um meio material para se propagarem. “Ondas em cordas e ondas na superfície de um líquido, são exemplos de ondas mecânicas. Especial importância para as ondas sonoras que também necessitam de um meio material para se propagarem” ONDAS ELETROMAGNÉTICAS: Originadas por cargas elétricas oscilantes, como elétrons vibrando na antena transmissora de rádio ou TV. Se propagam também no vácuo. Ondas de rádio, de luz, raio X, raios laser, radar e microondas são bons exemplos de ondas eletromagnéticas. Radar Laser Luz Ondas sonoras dentro de um tudo Raio X CLASSIFICAÇÃO QUANTO A DIREÇÃO DE VIBRAÇÃO TRANSVERSAIS: São aquelas em que a direção de propagação é perpendicular à direção de vibração. LONGITUDINAIS: São aquelas em que a direção de propagação coincide com a direção de vibração “Com uma mola helicoidal podemos obter os dois tipos de ondas, a transversal e a longitudinal.” VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO DE UM PULSO EM MEIOS UNIDIMENSIONAIS “Um movimento brusco na extremidade de uma corda nos proporciona a propagação de um pulso. A velocidade de propagação do pulso depende apenas da intensidade da Tração na corda (força com a qual a corda está esticada) e da densidade linear da corda (meio)” Quantos maior a tração na corda (mais esticada), maior a velocidade de propagação. Quanto maior a densidade linear (maior inércia) menor a velocidade de propagação. μ T v m μ Densidade linear onde: 1. Uma corda de 2 m de comprimento e massa igual a 2 . 10-2 kg é percorrida por um pulso com velocidade de 100 m/s. Determine a intensidade da força que traciona a corda. m/s 100v kg .10 2m m 2 Dados 2 m 2 10 . 2 -2 = 10-2 kg/m T v 210 T 100 T = 100 N Resposta: 100 N 2. Uma corda de densidade linear 1,2 . 10-2 kg/m é tracionada por uma força de 43,2 N. Determine a velocidade de propagação de um pulso produzido nessa corda. N 43,2 T kg/m 10 . 1,2 Dados -2 T v 2.10 1,2 43,2 v v = 60 m/s Resposta: 60 m/s 3. (UFMS) Uma corda de comprimento = 50 cm e massa m = 50 g está tensionada por um peso = 52,9 N. Calcule a velocidade de propagação da onda nessa corda (dê resposta em metros por segundo). |P| N 52,9P kg 50.10g 50m m 0,5 cm 50 Dados 3 F v m F v m . F v 3-10 . 50 0,5 . 52,9 v 529v v = 23 m/s Resposta: 23 m/s REFLEXÃO DE PULSOS “É o retorno de um pulso propagando-se em um meio (corda).” Corda com extremidade Fixa Reflexão com inversão de fase Corda com extremidade Livre Reflexão sem inversão de fase REFRAÇÃO DE PULSOS EM UMA CORDA “É a passagem (transmissão) de um pulso em cordas com densidades diferentes.” DA MENOS DENSA PARA A MAIS DENSA DA MAIS DENSA PARA A MENOS DENSA Corda “leve” Corda “pesada” Pulso refletido Pulso refratado Corda “leve” Corda “pesada” Pulso refletido Pulso refratado “A EXPERIÊNCIA MOSTRA QUE A FREQÜÊNCIA DAS ONDAS NÃO SE MODIFICA, TANTO NA REFRAÇÃO QUANTO NA REFLEXÃO.” “Reflexão funciona como extremidade fixa” “Reflexão funciona como extremidade livre” ONDAS PERIÓDICAS “É uma sucessão de pulsos iguais em intervalos de tempos iguais.” - A A y elongação (y): valor algébrico da ordenada do ponto oscilante da corda. amplitude da onda (A): o maior valor da elongação, relacionada com a energia transportada pela onda. freqüência (f): número de oscilações executadas por qualquer ponto da corda, por unidade de tempo. período (T): tempo de uma oscilação completa de qualquer ponto da corda. D1 D2 D3 C1 C2 CRISTAS E VALES: Os pontos C1, C2, ... são denominados cristas, e os pontos D1, D2, ... , vales. CONCORDÂNCIA DE FASE: dois pontos estão em concordância de fase quando têm sempre o mesmo sentido de movimento (C1 e C2; D1 e D2). OPOSIÇÃO DE FASE: dois pontos estão em oposição de fase quando têm sempre sentidos opostos de movimento (C1 e D2). COMPRIMENTO DE ONDA ( ): genericamente, é a menor distância entre dois pontos que vibram em concordância de fase. Em particular, é a distância entre duas cristas ou dois vales consecutivos. ONDAS PERIÓDICAS “É a menor distância entre dois pontos que vibram em concordância de fase.” “Em particular, é a distância entre duas cristas ou dois vales consecutivos.” O COMPRIMENTO DE ONDA D1 D2 D3 C1 C2 EQUAÇÃO DA VELOCIDADE “Como as ondas são periódicas, para um mesmo meio temos um movimento uniforme, onde, se T = T temos S = . T S v T v λ “Expressão de fundamental importância, lembrando que a freqüência de uma onda é sempre igual à freqüência da fonte que a emitiu.” obtemos , T 1 f Como f . v λ D1 D2 D3 C1 C2 OBSERVAÇÕES “Existem ondas periódicas não-cossenoidais, como a onda quadrada e a onda dente-de-serra. Os conceitos de freqüência e comprimento de onda são aplicáveis a todas as ondas periódicas.” ONDA QUADRADA ONDA DENTE DE SERRA 4. Uma onda tem freqüência de 10 Hz. Determine seu período. Hz 10 f D ado T 1 f T 1 10 s 10 1 T T = 0,1 s Resposta: 0,1 s 5. (UFU-MG) Uma pedra, ao ser atirada nas águas calmas de um lago, produz, em sua superfície, ondas que percorrem 200 cm de distância em 2,0 s. A distância entre duas cristas sucessivas da onda é 20 cm. a) Qual a natureza e o tipo dessa onda? Justifique. b) Qual o comprimento de onda da perturbação? c) Qual a freqüência do movimento? a) Quanto à natureza, são ondas mecânicas, pois propagam-se através de um meio material (água). Quanto ao tipo, são ondas bidimensionais, pois propagam-se num plano, e transversais, pois vibram perpendicularmente à direção de propagação. b) = 20 cm m/s 1cm/s 100 2 200 v c) v = . f 1 = 0,2 . f f = 5 Hz Resposta: a) vide resolução b) 20 cm c) 5 Hz 6. (Vunesp-SP) A rádio Universitária FM da Unesp deverá operar na freqüência 105,9 megahertz (mega = 106). Admitindo 3,0 . 108 m/s como velocidade de propagação das ondas de rádio, ache o comprimento de onda da transmissão. O comprimento de onda pode ser obtido pela relação: v = . f 3 . 108 = . 105,9 . 106 2,83 m Resposta: 2,83 m 7. A figura representa o perfilde uma onda transversal que se propaga ao longo de um fio elástico. Determine, no SI: a) a amplitude da onda A b) o comprimento de onda c) a velocidade de propagação da mesma, sabendo que sua freqüência é igual a 125 Hz ou que seu período é 0,008 s s 0,008 T Hz 125 f Dados c) v = . f V = 0,2 . 125 v = 25 m/s a) Da figura, temos A = 0,05 m. b) Da figura, temos = 0,2 m. Resposta: a) 0,05 m b) 0,2 m c) 25 m/s a) a amplitude da onda A b) o comprimento de onda c) a velocidade de propagação da mesma, sabendo que sua freqüência é igual a 125 Hz ou que seu período é 0,008 s 8. (UFRJ) A figura mostra, em um certo instante, três pequenos barcos, A, B e C, em alto mar, submetidos à ação de uma onda suave praticamente harmônica, que se propaga da esquerda para a direita; observe que o barco B está no ponto mais baixo da onda. Considerando que os barcos têm apenas movimento vertical devido à passagem da onda, indique para cada barco se sua velocidade vertical é nula, se tem sentido para cima, ou se tem sentido para baixo, no instante considerado. Barco A: VA Barco B: VB = 0 Barco C: VC sentido da propagação da onda A B C 9. (Fuvest-SP) Um vibrador, produz, numa superfície líquida, ondas de comprimento 5,0 cm que se propagam à velocidade de 30 cm/s. a) Qual a freqüência das ondas? b) Caso o vibrador aumente apenas sua amplitude de vibração, o que ocorre com a velocidade de propagação, o comprimento e a freqüência das ondas? v = . f 30 = 5 . f f = 6 Hz b) Permanecem constantes. cm/s 30 v cm 5,0 Dados a) Resposta: a) 6 Hz b) Permanecem constantes 10. A figura representa esquematicamente ondas produzidas na água por uma fonte de freqüência 5 Hz localizada em O. As linhas cheias representam cristas e as tracejadas, vales. No ponto B há uma pequena bóia localizada a 40 cm de O. Determine o intervalo de tempo para que um pulso gerado em O atinja B. O B 4 cm A distância entre duas cristas consecutivas é igual ao comprimento de onda: logo = 4 cm = 0,04 m. A velocidade da onda é dada por: O tempo gasto para percorrer OB = 40 cm = 0,4 m é: v = . f v = 0,04 . 5 v = 0,2 m/s t s v t 0,4 0,2 t = 2 s Resposta: 2 s 11. Uma bóia pode se deslocar livremente ao longo de uma haste vertical, fixada no fundo do mar. Na figura, a curva cheia representa uma onda no instante t = 0 s e a curva tracejada, a mesma onda no instante t = 0,2 s. Com a passagem dessa onda, a bóia oscila. Nessa situação qual a velocidade da onda e o período de oscilação da bóia? t s v 0,2 0,5 v v = 2,5 m/s Da figura, temos = 2 m. v = . f T 1 v T 1 2 2,5 T = 0,8 s Resposta: 2,5 m/s e 0,8 s 12. (UFV-MG) Duas cordas, de diâmetros deferentes, são unidas pelas extremidades. Uma pessoa faz vibrar a extremidade da corda fina, criando uma onda. Sabendo-se que, na corda fina, a velocidade de propagação vale 2,0 m/s e o comprimento de onda é 20 cm, e que na corda grossa o comprimento de onda é 10 cm. Calcule: a) a freqüência de oscilação da corda fina b) a freqüência de oscilação da corda grossa c) a velocidade de propagação da onda na corda grossa 0,1m10cm 0,2m20cm 2,0m/sv Dados g f 1 a) v = . f v f 20 2,0 f , f = 10 Hz b) ff = fg fg = 10 Hz c) Na corda grossa: v = . f v = 0,1 . 10 v = 1,0 m/s Resposta: a) 10 Hz b) 10 Hz c) 1,0 m/s a) a freqüência de oscilação da corda fina b) a freqüência de oscilação da corda grossa c) a velocidade de propagação da onda na corda grossa 13. (UFPel-RS) Numa cuba de ondas, o professor de Física, utilizando um vibrador de freqüência f, produz ondas planas, como mostra a figura. A estudante Anita, participando da experiência, percebe que a distância entre duas cristas sucessivas das ondas no meio B é a metade da distância entre duas cristas no meio A. A B vibrador a) Quando um pulso passa de um meio para outro, a freqüência não se modifica, logo: fA = fB. b) vA = A . fA 340 = A . fA A 340 fA fA = fB B B A v340 2 v340 A B A 2 340 .vB A A vB = 170 m/s Resposta: vide resolução Com base no enunciado, responda: a) A freqüência das ondas que se propagam no no meio B é maior, menor ou igual à freqüência das ondas que se propagam em A? Justifique sua resposta. b) Qual a velocidade das ondas que se propagam no meio B, se vale 340 m/s a velocidade de propagação das ondas no meio A? 14. (UFPB) Duas cordas, de mesmo material, mas de diâmetros diferentes, estão unidas no ponto B e a extremidade A da corda mais grossa está fixa, presa numa parede. A extremidade livre C da corda mais fina vibra na razão de quatro perturbações em cada segundo (ver figura). Os comprimentos das cordas são de 2,0 m para a mais fina e de 1,2 m para a mais grossa. As velocidades de propagação das ondas nestas cordas são de 1,0 m/s e 0,3 m/s. a) Qual o tempo necessário para que a primeira perturbação produzida em C atinja o ponto A? b) Nesse instante, quantas perturbações completas existem na corda mais grossa? C 2,0 m 1,2 m B A a) v1 = 1 . f1 1,0 = 1 . 4 1 = 0,25 m 2 2 1 1 vv 2 0,3 250 1,0 , 2 = 0,075 m b) em 6 s, temos: n = f . t n = 4 . 6 n = 24 perturbações Na corda mais fina temos: = 2 m e = 0,25 m. Portanto: n 250 2 n , n = 8 perturbações Na corda mais grossa: n = 24 - 8 n = 16 perturbações 1 1 1 t S v 1t 2 1 t1 = 2s 2 2 2 t S v 2t 1,2 0,3 t2 = 4 s t = t1 + t2 t = 2 + 4 t = 6 s Resposta: a) 6 s b) 16 perturbações CONCORDÂNCIA E OPOSIÇÃO DE FASE 2 λ V V’ C C’ CONCORDÂNCIA DE FASE: Todos os pontos separados por uma distância igual a um número inteiro de comprimento de onda, ou seja, 1, 2, 3... D = n . OPOSIÇÃO DE FASE: Todos os pontos separados por uma distância igual a um número inteiro e impar de meio comprimento de onda ... 2 , 2 , 2 5λ3λ1λ 2 1)(2n D λ C’’ FRENTE DE ONDA “Define-se frente de onda, para ondas bidimensionais e tridimensionais ,ao conjunto de todos os pontos do meio que, em um determinado instante, são atingidos pela onda que se propaga.” PROPAGAÇÃO BIDIMENSIONAL EM MEIO HOMOGÊNEO Frente de onda reta Frente de onda circular Frente de onda reta Frente de onda circular O PRINCÍPIO DE HUYGENS “Cada ponto de uma frente de onda se comporta como se fosse uma nova frente de onda secundária. O raio dessas ondas secundárias é dada por:” “ A nova frente de onda é a superfície que tangencia essas ondas secundárias.” Frente de onda reta Frente de onda circular Δt Δs vr = v . t REFLEXÃO DE ONDAS “Quando, ao atingir a superfície de separação entre dois meios, a onda retorna ao meio de origem.” Reflexão de uma frente de onda Plana P i Q P P P r Q Q Q i = r LEIS DA REFLEXÃO Barreira refletora Linhas de onda incidente Linhas de onda refletida i r 1ª Lei: O raio incidente, o raio refletido e a normal são coplanares. 2ª Lei: O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão. N REFLEXÃO DE ONDAS CIRCULARES ONDAS REFLETIDAS ONDAS INCIDENTES OBSTÁCULO “Como a onda retorna ao mesmo meio, permanecem inalteradas:” A velocidade de propagação (v) A freqüência (f) O comprimento de onda () REFRAÇÃO DE ONDAS “É o fenômeno que se caracteriza pela mudança de velocidade quando a onda passa (transmitida) a superfície de separação entre dois meios, podendo haver ou não mudança na direção de propagação. “ Meio 1 Linhas de onda incidente Linhas de onda refratada i r Meio 2 1Fronteira de separação 2 N A freqüência, característica da fonte, não se altera Ao diminuir a velocidade, diminui o comprimento de onda e ela se aproxima da normal. Ao aumentar a velocidade, aumenta o comprimento de onda e ela se afasta da normal. A refração obedece a Lei de Snell-Descartes *IMPORTANTE* 2 1 2 1 1 2 v v senr seni Meio 1 Linhas de onda incidente Linhas de onda refratada i r Meio 2 1 Fronteira de separação 2 N ATENÇÃO “Uma onda propagando-se na superfície de um líquido, ao encontrar uma brusca mudança de profundidade, também sofre refração, alterando o valor da velocidade de propagação e conseqüentemente seu comprimento de onda.” i2 i1 2 1 VISTA DE TOPO *Região Profunda: maior velocidade e maior comprimento de onda. *Região Rasa: menor velocidade e menor comprimento de onda. *Região Rasa se comporta como um meio mais refringente. Água rasa Água profunda EXEMPLO A velocidade de uma onda é constantemente reduzida, à medida que ela se aproxima da praia, pois a onda move-se para regiões em que a água fica gradualmente mais rasa. Quando se aproxima da praia as frentes de onda ficam quase paralelas às linhas do litoral. DIFRAÇÃO “A Difração ocorre quando uma onda encontra uma fenda ou obstáculo e consegue contorná-los, o que não seria possível se levarmos em consideração apenas o princípio da propagação retilínea.” FENDA Aplicação do princípio de Huygens O fenômeno será nítido quando as dimensões da abertura (fenda) forem da ordem de grandeza do comprimento da onda incidente. Obs: Ondas luminosas tem comprimento de onda em torno de 5 . 10-7 m enquanto as ondas sonoras em torno de 17 m. POLARIZAÇÃO DE ONDAS “Quando movimentamos a extremidade de uma corda simultaneamente para cima, para baixo e lateralmente, temos uma onda natural, ou não polarizada, e todos os pontos da corda oscilam em várias direções, perpendiculares à direção de propagação.” “Quando as oscilações dos pontos estiverem em um mesmo plano, a onda está polarizada. A FENDA NA TÁBUA FUNCIONA COMO POLARIZADOR. ATENÇÃO “Somente as ondas transversais podem ser polarizadas.” Polarização dupla de ondas transversais. As ondas longitudinais não se polarizam. ATENÇÃO “O caráter transversal das ondas eletromagnéticas, como as ondas luminosas, ficou evidenciado pelo fato de elas serem polarizadas mediante aparelhos adequados, chamamos polarizadores.” “Assim, usando determinados cristais (como calcita), pode-se polarizar a Luz ( onda eletromagnética transversal).” Luz natural (não-polarizada) Cristal Luz polarizada Cristal Ausência de luz PRINCÍPIO DA SUPERPOSIÇÃO “Considere dois pulsos propagando-se no mesmo meio e em sentidos contrários. Ao se cruzarem, originam o fenômeno da interferência no local do cruzamento. No entanto, um pulso passa pelo outro, como se o outro não existisse.” Princípio da Superposição: A perturbação resultante durante a superposição é a soma das perturbações que seriam causadas pelas ondas separadamente. “Após a superposição, as ondas continuam a se propagar com as mesmas características que tinham antes.” “Durante a superposição somam-se os efeitos individuais.” onda resultante (amplitude é a soma das amplitudes de 1 e 2) onda 2 onda 1 direção de propagação da onda 1 direção de propagação da onda 2 onda resultante (amplitude é a soma das amplitudes de 1 e 2) onda 2 onda 1 direção de propagação da onda 1 direção de propagação da onda 2 ONDA ESTACIONÁRIA “É um caso particular de interferência, onde duas ondas de mesma freqüência e mesma amplitude superpõem-se, propagando-se em sentidos contrários.” A distância entre dois nós consecutivos (fuso) vale 2 A distância entre dois ventres consecutivos (fuso) vale 2 A distância entre um nó e um ventre consecutivo vale 4 Em que: V ventres N nós ou nodos comprimento de onda ATENÇÃO “Além da onda estacionária em cordas, há outros modos de se conseguir esse tipo de interferência, como as ondas em um lago.” “Também é possível conseguir ondas estacionárias com a interferência de ondas longitudinais, como as ondas sonoras.” “Se a interferência determinar a formação de um ventre é denominada interferência construtiva.” “Se a interferência determinar a formação de um nó é denominada interferência destrutiva.” 15. Uma corda de 25 cm de comprimento, fixa nas extremidades P e Q, vibra na configuração estacionária representada na figura. Sabendo que a freqüência de vibração é de 1000 Hz, determine a velocidade de propagação das ondas ao longo da corda. Da figura temos: = 25 cm = 0,25 m Logo: v = . f v = 0,25 . 1000 v = 250 m/s Resposta: 250 m/s 16. (EFEI-MG) Uma corda fixa em ambos os extremos vibra num modo estacionário representado pela figura. A freqüência de vibração é de 20,0 Hz e o comprimento da corda é igual a 150 cm. Encontre a velocidade de propagação do movimento ondulatório nesta corda. cm 150 Hz 20,0 f Dados Da figura temos: 3 ventres e 4 nós. 2 3 Do = 3 ventres 2 3150 = 100 cm = 1 m v = . f v = 1 . 20 v = 20 m/s Resposta: 20 m/s 17. (FEI-SP) Uma corda homogênea, de comprimento = 1,5 m e massa m = 30 g, tem sua extremidade A fixa, e outra, B, pode deslizar livremente ao longo de uma haste vertical. A corda é mantida tensa sob a ação de uma força de intensidade F = 200 N e vibra segundo o estado estacionário indicado na figura. Determine: a) a velocidade de propagação da onda b) a freqüência de vibração da onda m 2 N 200 F kg 0,03 g 30 m m 1,5 Dados a) F v m F v 51 0,03 200 v , v = 100 m/s b) v = . f 100 = 2 . f f = 50 Hz Resposta: a) 100 m/s b) 50 Hz a) a velocidade de propagação da onda b) a freqüência de vibração da onda 18. (Unicamp-SP) A figura representa dois pulsos transversais de mesma forma, que se propagam em sentidos opostos, ao longo de uma corda ideal, longa e esticada. No instante t = 0, os pulsos encontram-se nas posições indicadas. Esboce a forma da corda: a) no instante t = 1 s b) no instante t = 2 s a) d = v t d = 30 . 1 d = 30 cm b) d = v t d = 30 . 2 d = 60 cm Após a superposição, as ondas se propagam com as mesmas características. interferência destrutiva 60 cm v = 30 cm/s v = 30 cm/s Resposta: vide resolução 19. Uma corda com 2 m de comprimento é tracionada de ambos os lados. Quando ela é excitada por uma fonte de 60 Hz observa-se uma onda estacionária com 6 nós. Neste caso, qual a velocidade de propagação da onda na corda? 2 5 2 52 = 0,8 m v = . f v = 0,8 . 60 v = 48 m/s Resposta: 48 m/s 20. Ondas planas propagam-se ma superfície da água com velocidade igual a 1,4 m/s e são refletidas por uma parede plana vertical, onde incidem sob o ângulo de 45º. No instante t = 0, uma crista AB ocupa a posição indicada na figura. a) Depois de quanto tempo essa crista atingirá o ponto P, após ser refletida na parede? b) Esboce a configuração dessa crista quando passa por P. 45º 1 m P A B v O Q 2 m 45º i m/s 1,4 v Dados Do OPQ, temos: 222 QPOQOP 222 11OP m 2OP Sendo s = vt e vi = vr = 1,4 m/s: v s t 1,4 2 t t = 1 s OPOPAOtotal tttt Mas ttotal = 1 + 1 ttotal = 2 s a) Depois de quanto tempo essa crista atingirá o ponto P, após ser refletida na parede? i = 45º r = 45º Q A B 2 m 1 m O P 45º 45º B’ P A’ B A b) Esboce a configuração dessa crista quando passa por P. Resposta: a) 2 s b) vide resolução 21.(FAAP-SP) Ondas mecânicas de freqüência 100 Hz e velocidade de 400 m/s se propagam num meio A. Ao atingir um meio B, elas se refratam. Sabendo que o índice de refração do meio B em relação ao A é 0,8 determine a velocidade e o comprimento de onda no meio B. 0,8n m/s 400v Hz 100f Dados B.A A A Da lei de Snell-Decartes: B A A B v v n n Bv 400 80, 0,8 400 vB vB = 500 m/s No meio A: vA = A . fA 400 = A . 100 100 400 A A = 4 m B A B A v v 500 4004 B 400 4.500 B B = 5 m Resposta: vB = 500 m/s e B = 5 m 22. Uma onda de freqüência 60 Hz e comprimento de onda 0,5 m, passa do meio para o meio , conforme indica a figura. Determine: a) a velocidade da onda incidente b) a velocidade da onda refratada c) o índice de refração do meio em relação ao meio 45º 30º 1 2 45º r 60º 30º - 90º i m 0,5 Hz 60 f Dados a) v = . f v = 0,5 . 60 v = 30 m/s r i v v r sen i sen b) rv 30 45º sen 60º sen 2 3 2 2 30 vr 3 630 v r m/s 6 10 v r Resposta: a) 30 m/s b) c) 6 10 2 6 a) a velocidade da onda incidente b) a velocidade da onda refratada c) o índice de refração do meio em relação ao meio 2 1 1 2 v v n n c) 6 . 10 6 30 n 1 2, 2 6 n 1 2, 610 30 n2,1 23. (UFRJ) Uma onda de luz monocromática tem, no vácuo, um comprimento de onda . Suponha que esta onda de luz, vinda do vácuo, incida num meio transparente cujo índice de refração seja 1,5. a) Calcule a razão entre o comprimento de onda da onda refletida (’) e o comprimento de onda da onda incidente (). ' b) Calcule a razão entre o comprimento de onda da onda refratada (’’) e o comprimento de onda da onda incidente (). '' )' varia, não onda de ocompriment o reflexão, 1(na 2 ' a) 'n' n'' b) 2 3 1'' 3 2'' Resposta: vide resolução 24. (UnB) Uma onda plana, de comprimento de onda , que se propaga em um meio A, incide sobre uma superfície plana que separa o meio A de um outro meio B, no qual passa a se propagar. Sabendo que a frente de onda no meio A forma um ângulo de 30º com a superfície de separação, e que, no meio B, a frente de onda faz um ângulo com essa superfície cujo seno vale 0,1, calcule a razão , onde vA e vB são as velocidades das ondas nos meios A e B, respectivamente. Multiplique sua resposta por 10. B A v v B A v v r sen i sen B A v v 0,1 0,5 5 v v B A 10 x 5 v v B A 50 v v B A Resposta: 50 “Ondas sonoras são ondas longitudinais com origem mecânica, portanto, necessitam de um meio material para se propagarem.” Som é uma onda mecânica portanto não se propaga no vácuo. Infra-sons sons audíveis ultra-sons . . . 0 20 20 000 f (Hz) “O som pode se propagar com diferentes freqüências, porém, o ouvido humano só é sensibilizado com uma freqüência entre 20 Hz e 20.000 Hz”. SOM VELOCIDADE DO SOM Por ser uma onda mecânica, o som se propaga mais rapidamente nos sólidos que nos líquidos, e nos líquidos mais rapidamente que nos gases. 4540 vidro 4480 Ferro 1480 (20º) Água 340 (15º) Ar Velocidade (m/s) meio Observe que a temperatura influi na velocidade de propagação por alterar a densidade do meio. Como as demais ondas continua válida a relação: v = . f QUALIDADES DO SOM “O ouvido humano distingue no som certas características denominadas qualidades.” “As mais importantes são, altura, intensidade e timbre.” ALTURA É a qualidade que nos permite diferenciar um som grave de um som agudo. Sons graves ou baixos tem baixa freqüência Sons agudos ou altos tem alta alta freqüência “A voz de um homem, (som grave), tem freqüência que varia entre 100Hz e 200Hz enquanto a da mulher, (som mais agudo), tem freqüência que varia entre 200Hz e 400 Hz.” QUALIDADES DO SOM INTENSIDADE: “É a qualidade que permite ao ouvido diferenciar os sons fracos dos sons fortes.” Quanto maior a Intensidade maior a amplitude da onda.” “A intensidade sonora é medida em bel (B) ou decibéis (dB) em homenagem ao inventor do telefone Graham Bell (1847-1922).” 140 dB * Avião a jato aterrisando 125 dB * Conj. de Rock com amplificador 90 dB * Barulho de tráfego intenso “Exposições prolongadas acima de 85 dB acasionam danos permanentes ao ouvido humano.” QUALIDADES DO SOM TIMBRE: “É a qualidade que permite ao ouvido diferenciar sons de fontes diferentes, mesmo que tenha a mesma altura e mesma intensidade.” “Assim diferenciamos uma mesma nota musical emitida por um piano e uma flauta.” “Dois sons de mesma altura e intensidades emitidas por fontes diferentes distinguem-se pelo timbre.” REFORÇO, REVERBERAÇÃO E ECO “O ouvido humano só consegue distinguir dois sons que chegam a ele com um intervalo de tempo superior a 0,1 s (um décimo de segundo).” Observe a figura ao lado: REFORÇO: Quando o obstáculo está muito próximo o som direto e o som refletido chegam praticamente juntos e o ouvinte terá a sensação de um som mais FORTE. REVERBERAÇÃO: Quando o obstáculo está um pouco mais afastado, o som direto e o som refletido chegam com intervalo pouco menor que 0,1 s. O som refletido chega ao ouvido quando o som direto está se extinguindo, dando ao ouvinte uma sensação de CONTINUIDADE. ECO: Quando o obstáculo está além de 17 metros o som refletido chega ao ouvido depois que o som direto já se extinguiu ( t > 0,1 s ). Assim o ouvinte percebe dois SONS DIFERENTES. aula d FENOMENOS SONOROS REFRAÇÃO: ondas sonoras também se refratam ao mudar o meio de propagação (ar, água) variando sua velocidade, variando o comprimento de onda e mantendo constante sua freqüência. DIFRAÇÃO: Permite que uma onda sonora contorne fendas ou obstáculos. INTERFERÊNCIA: Consiste no recebimento de dois ou mais sons de fontes diferentes. Neste caso teremos regiões com sons fortes (construtiva) e regiões com sons fracos ou ausente (destrutiva). RESSONÂNCIA: Quando um corpo começa a vibrar na mesma freqüência por influência de um outro, como uma janela de vidro que se quebra ao entrar em ressonância com as ondas sonoras produzidas por um jato. O SONAR O sonar (Soud Navigation And Ranging) é um dispositivo usado em navios para detectar obstáculos e medir profundidades oceânicas. Na Segunda Guerra Mundial foi utilizado com a finalidade de localizar submarinos inimigos. Basicamente sonar emite ondas sonoras e, após um intervalo de tempo que pode ser medido, capta as ondas refletidas. Sendo conhecida a velocidade das ondas na água, determina-se a que distância se encontra o obstáculo refletor. 25. Explique, de maneira sucinta: a) como ouvimos b) como o som é transmitido a) As fontes sonoras vibrantes produzem ondas vibrantes que se transmitem através do ar, o qual sofre sucessivas compressões e rarefações, atingido a orelha do observador. Na orelha, as ondas atingem uma membrana chamada tímpano. O tímpano passa a vibrar com a mesma freqüência das ondas, transmitindo ao cérebro, por impulsos elétricos, a sensação denominada som. b) O som é transmitido através de um meio material, de partícula a partícula no interior da matéria. O som não se transmite no vácuo, devido à ausência de matéria. 26. (PUC-SP) Um mergulhador está embaixo d’ água e um pescador, logo acima, num barco. a) um iate, próximo dali, aciona o motor. O mergulhador demora 1,0 s para ouvir o som da partida. Quanto tempo levará o pescador para escutá-lo? Dados: velocidade do som no ar ( 20 ºC ): 343 m/s; velocidade do som na água ( 20 ºC ): 1480 m/s. b) Um golfinho, em certo momento, sobe à superfície e emite um som de comprimento de onda 0,014 m. Esse som poderá serouvido pelo pescador? Sabe-se que as freqüências sonoras audíveis pelo ser humano situam-se na faixa de 20 Hz a 20 000 Hz. a) A distância entre o mergulhador e o iate é dada por: d = vágua . t1 d = 1480 . 1 d = 1480 m Como o mergulhador está logo abaixo do barco, a distância entre o barco e o iate é igual a 1480 m. Logo: d = var . t2 1480 = 343 . t2 t2 4,31 s b) A freqüência da onda é dada por: v = . f 343 = 0,014 . f f = 24 500 Hz Como a freqüência é maior do que a máxima audível, esta onda mecânica não será detectada pelo pescador. Resposta: a) 4,31 s b) Não será ouvido pois f = 24 500 27. Por que o som não se propaga no vácuo? Por que ele exige a presença de um meio material para se propagar. 28. (UFPR) Considere um grande tanque contendo água, com a superfície inicialmente em repouso. Um conta-gotas acima dessa superfície começa a pingar, produzindo ondas sobre a superfície. A distância entre duas cristas consecutivas dessa onda vale 8,0 cm e sua velocidade de propagação é de 16 cm/s. a) Determine a freqüência da onda. b) Determine o intervalo de tempo entre a saída de duas gotas sucessivas. c) Ao baterem na água, as gotas produzem também ondas sonoras que se propagam pelo ar. A velocidade de propagação destas ondas depende da frequencia com que caem as gotas? Justifique. a) = 8 cm v = 16 cm/s v = . f 0,16 = 0,08 . f f = 2 Hz b) O tempo de queda da 2º gota é igual ao tempo que a 1º gota leva para percorrer 8 cm. S = v . t 8 = 16 . t t = 0,5 s c) A velocidade de propagação não depende da freqüência, depende apenas do meio material no qual as onda se propagam. b) Determine o intervalo de tempo entre a saída de duas gotas sucessivas. c) Ao baterem na água, as gotas produzem também ondas sonoras que se propagam pelo ar. A velocidade de propagação destas ondas depende da frequencia com que caem as gotas? Justifique. Resposta: a) 2 Hz b) 0,5 s c) não 29. Julgue a seguinte frase “ Abaixe esse som, Deolindo!” Quando mandamos abaixar o som, estamos pedindo para diminuir a freqüência do som. Na verdade, estamos pedindo para diminuir a intensidade sonora, o volume. CORDAS VIBRANTES *Uma corda fixa em seus extremos possui vários modos de vibração. O primeiro modo de vibração (n = 1 fuso) é chamado de som fundamental ou primeiro harmônico. fuso) (1 2 1 1 fusos) (2 2 2 2 fusos) (3 2 3 3 fusos) (4 2 4 4 fusos) (n 2 nn TUBOS SONOROS “São tubos que contém uma coluna de ar que pode executar uma vibração estacionária.” Tubo aberto: Nas extremidades abertas a vibração é livre, portanto corresponde a ventres. n = 1 (fuso) Fundamental ou primeiro harmônico. n = 2 (fuso) 2º harmônico n = 3 (fuso) 3º harmônico 2 1 1 2 2 2 2 3 3 2 n n TUBO FECHADO Nos tubos fechados só contam os harmônicos ímpares. 4 1 1 4 3 3 4 5 5 4 1)(2n 1)(2n 1º harmônico 3º harmônico 5º harmônico EFEITO DOPPLER “Se caracteriza por uma mudança na freqüência percebida do som que chega aos ouvidos de um observador (receptor) quando há movimento relativo entre o observador e a fonte emissora. (-) (+) Receptor (Velocidade vrec) (-) (+) Fonte (Velocidade vfonte) fs rs vv vv ff' m/s 340 v m 680 m 680 s Dados t s v t 680 680 340 s 4 t Resposta: 4 s 30. Um observador está diante de um muro, situado a 680 m de distância, contra o qual dá um tiro. Sabendo que a velocidade do som é de 340 m/s, após quantos segundos o observador perceberá o eco do tiro? As distâncias percorridas através do ar e do trilho são iguais; logo: x = vA..tA e x = vT .tT Mas, tA - tT = 0,18 tA = 0,18 + tT Substituindo em = , temos: 31. Uma martelada é dada na extremidade de um trilho. Na outra extremidade encontra-se um indivíduo que ouve dois sons, com uma diferença de tempo de 0,18 s. O primeiro se propaga através do trilho com velocidade de 3400 m/s e o segundo, através do ar, com velocidade de 340 m/s. Determine o comprimento do trilho. vA tA = vt tT 340(tT + 0,18) = 3400 tT tT = 0,02 s Portanto, tA = 0,18 + 0,02 tA = 0,2 s A distância percorrida é igual a: x = vA tA x = 340 . 0,2 x = 68 m Resposta: 68 m 32. Para efetuar uma sondagem submarina um navio utiliza o método do eco (sonar): emite pulsos sonoros verticais e registra intervalo de tempo t entre a emissão e a recepção do pulso. A velocidade do som na água de 1,4 km/s. Com o navio navegando em linha reta e sendo x a sua posição, traça-se o gráfico indicado na figura. a) Qual o profundidade do mar no ponto A? b) Qual a profundidade do mar no ponto B? O que você acha que existe nesse ponto, um pico ou uma depressão? v = 1,4 km/s tA = 2 s sA = v . tA 2 xA = 1,4 . 2 xA = 1,4 km sB = v . tB 2xB = 1,4 . 4 xB = 2,8 km Em B existe uma depressão, pois é mais profundo que o ponto A. Resposta: a) 1,4 km b) 2,8 km; uma depressão a) Qual o profundidade do mar no ponto A? b) Qual a profundidade do mar no ponto B? O que você acha que existe nesse ponto, um pico ou uma depressão? 33. (UFPel-RS) A festa terminou tarde. Não foi possível encontrar um só taxi. Você resolve ir para casa caminhando pelas ruas desertas. De repente, numa rua bastante larga, cheia de prédios altos, começa a ouvir outros passos além dos seus. Pára, olha em todas as direções e não observa ninguém, só então nota que os “outros passos” também pararam. Recomeça a caminhar e os passos estranhos também recomeçam... Essa situação pode ter alguma explicação física? Justifique sua resposta. Sim. Os “outros passos”, na verdade, são o eco dos sons de seus próprios passos refletidos pelos prédios altos. 34. (UFPA) As ultra-sonografias têm se revelado como importantes recursos para obtenção de imagens dos órgãos internos do corpo humano. Um transdutor (fonte de ultra-som), quando colocado sobre a pele de um paciente, emite o ultra som e detecta a onda refletida (eco) para produzir a imagem. A velocidade das ondas ultra-sônicas em tecidos moles do nosso corpo é de, aproximadamente, 1500 m/s. Com base nesses dados, responda: a) Se uma ultra-sonografia é feita com uma freqüência de 5 MHz, qual o comprimento de onda, em milímetros (mm), desse ultra-som, nos tecidos moles do corpo do paciente? Hz 10 . 5 MHz 5 f m/s 1500 v Dados 6 v = . f 1500 = . 5 .106 = 300 . 10-6 m ou = 0,3 mm b) Se o retardamento do eco (tempo necessário para o ultra-som sair da fonte, refletir-se no órgão-alvo e retornar ao ponto de partida) é de 8 . 10-5 s, qual a distância, em centímetros (cm), do órgão-alvo até a superfície da pele onde se encontra o transdutor? s 2 10 . 8 t -5 t = 4 . 10-5 s s = v . t s = 1500 . 4 . 10-5 s = 0,06 m ou s = 6 cm Resposta: a) 0,3 mm b) 6 cm 35. (UFJF-MG) Um cantor ou uma cantora de ópera pode emitir sons que provocam a quebra de um copo de cristal. Explique detalhadamente este fenômeno. Quando os sons emitidos pelo cantor ou cantora de ópera possuem a mesma freqüência de variação de um corpo de vidro, ocorre o fenômeno da ressonância, o que provoca a quebra do copo. 36. (PUC-SP) a) Após se propagarem no ar, uma onda sonora e uma onda luminosa monocromática sofrem refração ao passarem do ar para o vidro. Esquematize suas trajetórias no vidro, justificando. Dados: Vsom no vidro = 5000 m/s Vsom no ar (15ºC) = 340 m/s b) Se a onda sonora tiver freqüência de 1 kHz, qual será o seu comprimento de onda no vidro? Ela continuará, nesse meio, a ser uma onda sonora? Justifique. onda luminosa onda sonora ar vidro Sendo a lei de Snell sen i/sen r = vi/vt, temos: Para a luz, o ângulo de incidência é maior que o ângulode refração, pois a velocidade da luz no ar é maior que a velocidade da luz no vidro; Para o som, o ângulo de incidência é maior que o ângulo de refração, pois a velocidade do som no ar é menor que a velocidade do som no vidro. ar vidro onda luminosa i r i r onda sonora a) Após se propagarem no ar, uma onda sonora e uma onda luminosa monocromática sofrem refração ao passarem do ar para o vidro. Esquematize suas trajetórias no vidro, justificando. b) Se a onda sonora tiver freqüência de 1 kHz, qual será o seu comprimento de onda no vidro? Ela continuará, nesse meio, a ser uma onda sonora? Justifique. f = 1 kHz = 1000 Hz f v 1000 5000 = 5 m A onda continuará sonora, pois na mudança de meio não há mudança de freqüência. 37. Uma fonte sonora que emite um som de freqüência 500 Hz se aproxima de um observador em repouso, com a velocidade de 72 km/h. Sendo a velocidade do som 340 m/s, calcule a freqüência recebida pelo observador. 0v m/s 340v Hz 500f m/s 20km/h 72v Dados 0 F Fs 0s v v vv ff' 20 - 340 0 340 500f' f’ = 531,25 Hz Resposta: 531,25 Hz 38. (PUC-SP) Determine a velocidade com que um observador deve aproximar-se de uma fonte sonora (em repouso) cuja freqüência é de 16000 Hz, para deixar de ouvi-la, sabendo que a velocidade de propagação do som no ar é de 340 m/s e a máxima freqüência audível, 20 000 Hz. Hz 000 20 f' m/s 340 v 0v Hz 000 16 f Dados F Fs 0s v v vv ff' 0 340 v340 000 16000 20 0 v0 = 85 m/s ou v0 = 306 km/h Resposta: 306 km/h 39. (IME) Uma moça está sentada à janela de um trem que se move à velocidade de 10 m/s para leste. O tio da moça está parado perto dos trilhos e observa o trem se afastar. O apito da locomotiva vibra a 500 Hz. O ar está parado. Determine a freqüência de som do apito ouvido: a) pelo tio da moça b) pela moça Um vento começa a soprar a 10 m/s vindo do leste. Dê a freqüência do som do apito ouvido agora: c) pelo tio da moça d) pela moça Dado: velocidade do som no ar = 340 m/s. Fs 0s v v vv ff' a) 10 340 0340 500f' f’ 485,7 Hz b) f’ = 500 Hz Fs 0s v v vv ff' 10 340 10340 500f' f’ = 500 Hz d) f’ = 500 Hz c) vtrem = 10 m/s Var = 10 m/s Resposta: a) 485,7 Hz b) 500 Hz c) 500 Hz d) 500 Hz pelo tio da moça pela moça pelo tio da moça pela moça 40. (IME) Uma fonte sonora é arremessada verticalmente a partir da superfície da Terra. O som emitido no momento em que a fonte atinge o ponto mais alto da trajetória é ouvido por um observador que está imóvel no ponto de lançamento com uma freqüência de 400 Hz. Desprezando os efeitos do atrito com o ar e da rotação da Terra, determine a freqüência com que o observador ouvirá um som emitido 17 s após o inicio da descida. Dados: aceleração da gravidade: g = 10 m/s2 velocidade de som: vs = 340 m/s v = v0 - g . ts 0 = v0 - g . ts v0 = - g . ts vF = v0 - g . t vF = v0 - g . ts - g(ts + 17) vF = gts - gts - g . 17 vF = 10 . 17 vF = 170 m/s Fs 0s v v vv ff' 170 - 340 0340 400f' f’ = 800 Hz Resposta: 800 Hz FIQUEM COM DEUS Aprendi.ppt
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