FSICA COMPREENDENDO A FSICA Alberto Gaspar 2 ano
FÍSICA
COMPREENDENDO A FÍSICA Alberto Gaspar – 2º ano ensino médio
UNIDADE 1 – ONDAS MEC NICAS Mauro Nakata/Arquivo da editora CAPÍTULO 1 - MOVIMENTOS ONDULATÓRIOS • Características das ondas mecânicas: Pulso: • Uma sequência de pulsos transversais ou longitudinais dá origem a ondas transversais ou ondas longitudinais. • As ondas sonoras propagam-se por todo o espaço. São ondas tridimensionais, ou seja, sua descrição matemática exige um sistema de três coordenadas. Pulso propagando-se na mola. COMPREENDENDO A FÍSICA | Volume 2 – 1º Bimestre
CAPÍTULO 1 - MOVIMENTOS ONDULATÓRIOS Formato Comunicação/Arquivo da editora MOVIMENTOS ONDULATÓRIOS Reflexão de pulso • O fenômeno de reflexão é característico de qualquer propagação ondulatória que encontra uma alteração no meio em que se propaga, o limite desse meio ou um obstáculo. Refração de pulsos • Essa é uma característica da refração nos movimentos ondulatórios. Sempre que a onda passa de uma corda para outra, ou de um meio para outro, parte da energia é transmitida e parte é refletida. COMPREENDENDO A FÍSICA | Volume 2 – 1º Bimestre Propagação de um pulso numa corda e sua reflexão sem inversão quando ocorre numa extremidade livre. O pulso se inverte ao ser refletido em uma extremidade fixa.
CAPÍTULO 1 - MOVIMENTOS ONDULATÓRIOS Formato Comunicação/Arquivo da editora ONDAS PERIÓDICAS • Se F produzir oscilações regulares, de período constante, a mola será percorrida por ondas periódicas. Se as oscilações forem harmônicas simples, ou seja, se cada ponto da mola oscilar em movimento harmônico simples (MHS), vão se propagar pela mola ondas harmônicas simples. COMPREENDENDO A FÍSICA | Volume 2 – 1º Bimestre Representação esquemática de pulso em mola, gerado por fonte oscilante.
CAPÍTULO 1 - MOVIMENTOS ONDULATÓRIOS Ilustrações: Formato Comunicação/Arquivo da editora FREQUÊNCIA E PERÍODO • Observe a figura. Ela representa uma onda gerada por uma lâmina vibrante propagando-se em uma mola em cinco instantes sucessivos. Em l, lll e V, os pontos L e P estão momentaneamente em repouso; em ll e l. V, suas velocidades são máximas. Representação de uma onda gerada por uma lâmina vibrante em cinco instantes sucessivos. COMPREENDENDO A FÍSICA | Volume 2 – 1º Bimestre
CAPÍTULO 1 - MOVIMENTOS ONDULATÓRIOS Amplitude, fase e comprimento de onda • Estabelecido o referencial, a amplitude A de uma onda é, por definição, o módulo da ordenada máxima de um ponto dessa onda. • Para definir comprimento de onda, é preciso entender a ideia de fase de um ponto em movimento oscilatório. Velocidade e propagação • A velocidade de propagação de uma onda não é a mesma grandeza que expressa a velocidade de uma partícula. A grande diferença entre esses conceitos reside no caráter vetorial da velocidade da partícula, que não existe na velocidade de propagação da onda. COMPREENDENDO A FÍSICA | Volume 2 – 1º Bimestre
CAPÍTULO 2 – CORDAS VIBRANTES E ONDAS BIDIMENSIONAIS PRINCÍPIO DA SUPERPOSIÇÃO: INTERFERÊNCIA Princípio da superposição: • durante o cruzamento, a ordenada de cada ponto do pulso resultante é a soma algébrica das ordenadas de cada um dos pontos que se cruzam nesse instante. • Quando a onda resultante tem sua amplitude aumentada, ocorre uma interferência construtiva; quando a amplitude se reduz ou se anula, tem-se uma interferência destrutiva. COMPREENDENDO A FÍSICA | Volume 2 – 1º Bimestre
CAPÍTULO 2 – CORDAS VIBRANTES E ONDAS BIDIMENSIONAIS ONDAS ESTACIONÁRIAS • Suponha agora que, na mesma corda, presa nas duas extremidades, em vez de dois pulsos, propagam-se duas ondas em sentidos opostos. Nesse caso, não é possível observar o que ocorre antes ou depois do cruzamento, pois só existe o cruzamento. O único efeito visível é o resultado da interferência entre essas ondas, que recebeu o nome, aparentemente contraditório, de ondas estacionárias. COMPREENDENDO A FÍSICA | Volume 2 – 1º Bimestre
CAPÍTULO 2 – CORDAS VIBRANTES E ONDAS BIDIMENSIONAIS ONDAS ESTACIONÁRIAS EM CORDAS VIBRANTES: RESSON NCIA Ondas estacionárias em cordas presas nas duas extremidades são geradas de duas maneiras: • Uma delas, por meio de ação externa isolada (em geral, toque, batida ou fricção); nesse caso, a corda passa a vibrar nas várias frequências de seus modos de vibração, as quais se sobrepõem. • Outra, por meio da ação excitadora de uma fonte oscilante externa, ou seja, por ressonância. COMPREENDENDO A FÍSICA | Volume 2 – 1º Bimestre
CAPÍTULO 2 – CORDAS VIBRANTES E ONDAS BIDIMENSIONAIS Banco de imagens/Arquivo da editora ONDAS BIDIMENSIONAIS E O PRINCÍPIO DE HUYGENS Princípio de Huygens: • cada ponto de uma frente de onda pode ser considerado uma nova fonte de ondas secundárias que se propagam em todas as direções. Em cada instante, a curva ou superfície que envolve a fronteira dessas ondas secundárias é a nova frente de onda. Reflexão • As ondas bidimensionais, assim como as ondas unidimensionais em cordas, refletem-se ao atingir qualquer obstáculo, ou refletem-se e refratam quando mudam de meio de propagação. COMPREENDENDO A FÍSICA | Volume 2 – 1º Bimestre Representação da reflexão de uma onda plana.
CAPÍTULO 2 – CORDAS VIBRANTES E ONDAS BIDIMENSIONAIS Refração: • ocorre sempre que a onda atravessa a superfície de separação de meios em que a velocidade de propagação da onda é diferente (nesse caso reflexão também acontece, embora seja pouco perceptível). Difração: • é um fenômeno característico e exclusivo da propagação ondulatória não unidimensional - partículas em movimento não contornam obstáculos nem se expandem depois de atravessar pequenas aberturas. Ela pode ser explicada por meio do princípio de Huygens: basta supor que na frente de ondas junto ao obstáculo, no meio da abertura ou em suas laterais apareçam novas fontes secundárias que originem as mesmas ondas. COMPREENDENDO A FÍSICA | Volume 2 – 1º Bimestre Representação da refração de ondas bidimensionais. Em a, uma frente de ondas planas passa por um obstáculo lateral e logo depois avança para a região que fica atrás dele; em b, a frente de ondas planas, depois de atravessar uma abertura no obstáculo, expande -se novamente em ondas circulares; em c, a frente de ondas “contorna” o obstáculo. Em todos esses casos houve difração. Ilustrações técnicas: Banco de imagens/Arquivo da editora ONDAS BIDIMENSIONAIS E O PRINCÍPIO DE HUYGENS
CAPÍTULO 2 – CORDAS VIBRANTES E ONDAS BIDIMENSIONAIS INTERFERÊNCIA Representação esquemática da interferência de ondas bidimensionais circulares. COMPREENDENDO A FÍSICA | Volume 2 – 1º Bimestre Ilustrações técnicas: Banco de imagens/Arquivo da editora Da mesma forma que as amplitudes das ondas em cada corda pode ser somada algebricamente de acordo com o princípio da superposição, as amplitudes das ondas bidimensionais que atravessam a mesma região do espaço também se somam algebricamente. Tal soma dá origem ao fenômeno da interferência. Representação esquemática de onda plana passando por duas fendas.
CAPÍTULO 3 – SOM Formato Comunicação/Arquivo da editora SOM: ONDAS MEC NICAS TRIDIMENSIONAIS E LONGITUDINAIS Fonte sonora: • gera ondas sonoras que se propagam através do ar em frentes de ondas esféricas, centradas no ponto onde está a fonte. As partículas que compõem o ar, ou que neles estão presentes, oscilam longitudinalmente, na "mesma direção" em que as ondas sonoras se propagam. Representação da propagação tridimensional do som por meio de frentes de ondas esféricas. COMPREENDENDO A FÍSICA | Volume 2 – 1º Bimestre
CAPÍTULO 3 – SOM PROPRIEDADES DA PROPAGAÇÃO DO SOM • O som é uma propagação ondulatória tridimensional e longitudinal; como tal, possui todas as propriedades que caracterizam esse tipo de propagação: reflexão, refração, difração e interferência. Reflexão é certamente a propriedade mais conhecida por cauda do eco, porém sua maior importância decorre das aplicações tecnológicas: • Sonar • Ultrassom • Eco COMPREENDENDO A FÍSICA | Volume 2 – 1º Bimestre
CAPÍTULO 3 – SOM Refração: • a refração do som é um fenômeno difícil de ser notado, embora ocorra como em qualquer propagação ondulatória. Ela pode ser percebida em dias quentes, na praia, por exemplo. Difração: • sonora é facilmente comprovada. Basta deixar a porta de um quarto entreaberta: tudo o que se diz lá dentro passa a ser ouvido fora, porque o som se propaga por difração. Interferência sonora: • é, também, um fenômeno familiar. Em shows ao ar livre, ou em ambientes inadequados, é muito comum existirem regiões onde há interferência construtiva e o som é muito intenso e, às vezes, distorcido. COMPREENDENDO A FÍSICA | Volume 2 – 1º Bimestre Paulo Manzi/Arquivo da editora PROPRIEDADES DA PROPAGAÇÃO DO SOM O rapaz deitado na areia não consegue ouvir o chamado da mulher por causa da refração das ondas sonoras. Representação sem escala e em cores fantasia.
CAPÍTULO 3 – SOM PROPRIEDADES FÍSICAS DA PROPAGAÇÃO ONDULATÓRIA Frequência, altura e espectro sonoro • A frequência da onda sonora, como de qualquer movimento ondulatório, é determinada pela frequência da fonte geradora. A faixa de frequência em que existem ondas sonoras - audíveis, ou não, pelo ser humano - é chamada de espectro sonoro. • Para a fisiologia humana, a frequência sonora é identificada com a altura do som: quanto maior a frequência, menor a altura e mais grave é o som. COMPREENDENDO A FÍSICA | Volume 2 – 1º Bimestre
CAPÍTULO 3 – SOM PROPRIEDADES FÍSICAS DA PROPAGAÇÃO ONDULATÓRIA Velocidade de propagação: • a velocidade de propagação do som tem as mesmas características da velocidade de qualquer propagação ondulatória, ela depende das propriedades do meio em que o som se propaga. Intensidade e nível de intensidade: • a intensidade sonora é definida a partir de grandezas físicas e se relaciona à emissão e distribuição de energia da fonte, mas não é adequada para definir a intensidade sonora que nossas orelhas percebem. COMPREENDENDO A FÍSICA | Volume 2 – 1º Bimestre
CAPÍTULO 3 – SOM FONTES SONORAS EM MOVIMENTO E SEU EFEITOS • Som não é um corpo, é uma propagação ondulatória cuja velocidade é determinada pelas propriedades do meio em que se propaga. Contudo, a experiência diária mostra que os movimentos relativo da fonte e do observador (ou ouvinte) influi nas características da onda sonora por ele percebida. Efeito Doppler: • se uma ambulância passa ao nosso lado com a sirene ligada, percebemos uma nítida e brusca variação na altura do som – de agudo para grave – durante sua passagem. Trata-se do efeito Doppler. COMPREENDENDO A FÍSICA | Volume 2 – 1º Bimestre
CAPÍTULO 3 – SOM John Gay/U. S. Navy Photo FONTES SONORAS EM MOVIMENTO E SEU EFEITOS Estrondos sonoros: • veja a imagem produzida por um estrondo sonoro. Ela ilustra a aproximação das frentes de onda que estão adiante da fonte sonora em movimento, causa do efeito Doppler e seus resultado: um estrondo sonoro. Música, Física e Arte • A música é uma arte e também um conhecimento de como produzir e combinar sons de forma harmoniosa e agradável. Como o conceito do que é "agradável à audição" é muito amplo e variável, pode se dizer que falar em som é falar em música. COMPREENDENDO A FÍSICA | Volume 2 – 1º Bimestre A súbita e intensa redução da pressão quando o avião ultrapassa a velocidade do som provoca a condensação do vapor de água contido no ar nessa região e dá origem à nuvem que se observa em torno do avião.
CAPÍTULO 3 – SOM FONTES SONORAS EM MOVIMENTO E SEU EFEITOS Fontes sonoras: • é qualquer corpo capaz de fazer o ar oscilar com ondas de frequência e amplitude detectáveis por Alaúde (a); violino (b); violão (c); harpa (d). nossas orelhas. Além de nossa principal fonte sonora, o sistema fonador. Propriedades fisiológicas do som: • notas ou tons e escalas musicais. Instrumentos musicais: Fagote (a); saxofone (b); corne-inglês (c); flauta (d). • Cordas vibrantes e instrumentos de corda • Tubos sonoros e instrumentos de sopro • Diapasões e instrumentos de percussão COMPREENDENDO A FÍSICA | Volume 2 – 1º Bimestre Xilofone (a); tamborim (b); tímpanos (c); triângulo (d).
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