FÍSICA · 9º ANO · ONDULATÓRIA

Fundamentos da ondulatória e fenômenos ondulatórios

O que é uma onda · tipos de onda · A, λ, T, f e v · reflexão, refração, difração, interferência, ressonância e polarização · som e eco

Prof. Luis Teixeira
Física | Matemática

O que veremos

O que é uma onda: pulso e onda periódica
Ondas mecânicas e eletromagnéticas
Ondas transversais e longitudinais
Amplitude, comprimento de onda, período e frequência
Velocidade de propagação: v = λ · f
Fenômenos: reflexão, refração, difração, interferência, ressonância e polarização
Som, eco e reverberação
Atividade prática com corda ou mola

Conceito centralUma onda transporta energia de uma região para outra sem transportar matéria de forma permanente junto com ela.

Grandeza	Significado	Unidade (SI)
A	amplitude	metro (m)
λ	comprimento de onda	metro (m)
T	período	segundo (s)
f	frequência	hertz (Hz)
v	velocidade de propagação	metro por segundo (m/s)

AtividadesOs slides marcados com ATIVIDADE são para vocês resolverem durante a aula.

O que é uma onda

Fundamentos

Quando agitamos a extremidade de uma corda, a perturbação se desloca ao longo dela. Cada trecho da corda apenas oscila em torno de sua posição de equilíbrio: observe o ponto vermelho, que só sobe e desce.

Pulso: uma única perturbação.
Onda periódica: a fonte repete o movimento regularmente.
No som, as moléculas do ar vibram em torno de posições próximas enquanto a perturbação atravessa o ambiente.

O que viajaO que se propaga é a perturbação, levando energia. A matéria da corda não vai de uma ponta à outra.

Ondas mecânicas e eletromagnéticas

Fundamentos

Ar dentro da redoma

Uma campainha tocando e uma lâmpada acesa estão dentro de uma redoma de vidro. Uma bomba retira o ar.

Ondas mecânicas precisam de um meio material: ondas em cordas, na água e o som.
Ondas eletromagnéticas não precisam de meio: luz visível, ondas de rádio, micro-ondas e raios X.

Som e luz não são do mesmo tipoO som é uma onda mecânica e não se propaga no vácuo. A luz é eletromagnética e pode se propagar no vácuo: é assim que a luz do Sol chega até nós.

A família das ondas eletromagnéticas

Fundamentos

Todas viajam a 300 000 km/s no vácuoRádio, micro-ondas, infravermelho, luz, ultravioleta, raios X e raios gama são o mesmo tipo de onda. O que muda é a frequência e, por isso, o comprimento de onda: λ = c/f.

Arraste o cursor sobre a faixa ou clique em um ponto dela. A escala é logarítmica: cada marca multiplica a frequência por 100.

ATIVIDADECada faixa do espectro com o seu uso

Fundamentos

Clique em um uso e depois na faixa do espectro que corresponde a ele. Depois clique em Conferir.

Ondas transversais e longitudinais

Fundamentos

TransversalA vibração é perpendicular à direção de propagação. Exemplo: onda em uma corda esticada.

LongitudinalA vibração ocorre na mesma direção da propagação. No som, regiões de compressão e rarefação avançam pelo ar.

Nas duas animações a onda avança para a direita. Compare o movimento da partícula destacada: na corda ela sobe e desce; na mola ela vai e volta na horizontal.

ATIVIDADEClassifique as ondas

Fundamentos

Em cada cartão, escolha se a onda é mecânica ou eletromagnética e se é transversal ou longitudinal. Depois clique em Conferir.

Amplitude, comprimento de onda, período e frequência

Grandezas

Amplitude A

Frequência f

Corda em que a onda viaja a 2,0 m/s. A escala horizontal vai de 0 a 4 m.

Amplitude A: afastamento máximo em relação à posição de equilíbrio. Amplitude maior costuma indicar onda mais energética.
Comprimento de onda λ: distância entre dois pontos equivalentes consecutivos, como duas cristas ou dois vales.
Período T: tempo de uma oscilação completa.
Frequência f: número de oscilações a cada segundo. 5 oscilações por segundo = 5 Hz.

f = 1T T = 1f

Contando oscilações: a boia

Grandezas

Oscilações em 8 s

Exemplo 1 · período e frequênciaUma boia completa 4 oscilações em 8 s. Qual é a frequência e qual é o período?

Mude o número de oscilações e cronometre de novo.

Velocidade de propagação: v = λ · f

Grandezas

Comprimento de onda λ

Frequência f

Durante um período T, a crista marcada avança exatamente um comprimento de onda. Por isso:

v = λT = λ · f

Exemplo 2λ = 2,0 m e f = 3,0 Hz ⟹ v = 2,0 · 3,0 = 6,0 m/s.

Frequência e comprimento de ondaNo mesmo meio, v não muda. Ao aumentar f, λ diminui. Teste no botão "Mesma corda".

ATIVIDADEAnalise o gráfico da onda

Grandezas

ATIVIDADECompare duas ondas

Grandezas

ATIVIDADECalcule: período, frequência, λ e v

Grandezas

f = n.º de oscilaçõesΔt · T = 1f · v = λ · f · 1 s = 1000 ms

Use vírgula ou ponto para os decimais, por exemplo 0,25 ou 0.25.

Reflexão

Fenômenos ondulatórios

Ângulo de incidência

A reflexão acontece quando uma onda atinge uma região de separação e retorna para o meio em que estava se propagando.

i = rincidência e reflexão têm o mesmo ângulo com a normal

O eco é a reflexão do som em uma parede ou um paredão.
Em uma corda, um pulso também volta ao chegar à extremidade. Com a ponta presa, ele volta invertido.

Refração

Fenômenos ondulatórios

Velocidade no meio 2

A refração ocorre quando a onda passa de um meio para outro e sua velocidade muda. Exemplo: ondas na água que passam de uma parte funda para uma rasa.

Na refraçãoA frequência permanece a mesma, porque é a fonte que a determina. Velocidade e comprimento de onda podem mudar: λ = v/f.

Difração

Fenômenos ondulatórios

Largura da abertura

Difração é a capacidade das ondas de contornar obstáculos ou se espalhar ao atravessar uma abertura.

Atrás da portaO efeito é mais perceptível quando a abertura tem tamanho comparável ao comprimento de onda. O som tem λ de alguns centímetros a alguns metros, parecido com o vão de uma porta: por isso ouvimos uma pessoa que não conseguimos ver.

Interferência

Fenômenos ondulatórios

Quando duas ondas ocupam a mesma região do espaço, seus efeitos se somam. Esse fenômeno é a interferência.

Construtiva: as perturbações se reforçam e a amplitude aumenta.
Destrutiva: uma perturbação reduz o efeito da outra. Com mesma amplitude, o resultado pode ser nulo naquele instante.
Depois do encontro, cada pulso segue o seu caminho, sem mudança.

Fones com cancelamento de ruídoO fone produz um som planejado para se opor ao ruído externo. A interferência destrutiva reduz o barulho que chega ao ouvido.

Ressonância

Fenômenos ondulatórios

Ritmo dos empurrões

Todo sistema que pode vibrar tem frequências em que responde mais intensamente: as frequências naturais. Este balanço oscila naturalmente a cerca de 0,5 Hz.

RessonânciaQuando uma força periódica atua com frequência próxima da frequência natural, a amplitude pode aumentar bastante. Pequenos empurrões no ritmo certo produzem oscilações cada vez maiores.

Polarização

Fenômenos ondulatórios

Giro da fenda

A polarização seleciona uma direção de vibração de uma onda transversal. A fenda deixa passar só a parte da vibração que está alinhada com ela.

Polarização e tipo de ondaSó ondas transversais podem ser polarizadas. Como a luz pode ser polarizada, a luz é transversal. O som no ar, longitudinal, não é polarizado dessa maneira.

Óculos de sol polarizadosBloqueiam parte das vibrações luminosas em uma direção e reduzem reflexos intensos da água e do asfalto.

ATIVIDADEQual é o fenômeno?

Fenômenos ondulatórios

Para cada situação, clique no fenômeno que melhor a explica. A correção aparece na hora.

O som como onda

Som e aplicações

Frequência

Amplitude

Comece com o volume baixo.

O som é uma onda mecânica produzida por vibrações. No ar, ele se propaga principalmente como onda longitudinal: o alto-falante empurra e puxa o ar, formando compressões e rarefações.

Frequência ↔ grave ou agudo: frequência maior, som mais agudo.
Amplitude ↔ intensidade: amplitude maior, som mais forte.
Ouvimos, em geral, de 20 Hz a 20 000 Hz. Abaixo: infrassom. Acima: ultrassom.

Eco e reverberação

Som e aplicações

Distância ao paredão

Eco: o som refletido chega com atraso suficiente para ser percebido separado do som original (em geral, pelo menos 0,1 s).
Reverberação: muitas reflexões chegam em intervalos pequenos e prolongam o som dentro do ambiente.

Exemplo 3 · distância pelo ecoO eco volta 0,40 s depois, com v = 340 m/s. Ida e volta: 340 · 0,40 = 136 m. A parede está a metade disso: d = 68 m.

ATIVIDADEEco, trovão e distância

Som e aplicações

Adote v_som = 340 m/s. A luz chega praticamente no mesmo instante em que é produzida.

ATIVIDADEAtividade prática: ondas em uma corda

Atividade prática

Ritmo da mão

Faça no simulador e, se possível, com uma corda ou mola de verdade. Marque cada etapa ao terminar.

1. Produza um único pulso e acompanhe seu deslocamento. 2. Produza pulsos de amplitudes diferentes. O que muda visualmente? 3. Aumente o ritmo das oscilações. Compare a frequência e o espaçamento entre as cristas. 4. Observe a reflexão do pulso na extremidade presa. 5. Produza pulsos pelas duas pontas e observe a superposição.

RegistroEscreva em poucas linhas o que observou e associe cada situação a pelo menos uma grandeza ou fenômeno estudado.

Exemplos resolvidos

Exemplos

ATIVIDADEDesafio final

Revisão

Síntese

Assunto	Ideia principal
Onda	transporta energia sem transportar matéria de forma permanente; pulso ou onda periódica
Mecânica × eletromagnética	mecânica precisa de meio (corda, água, som); eletromagnética não precisa (luz, rádio, micro-ondas, raios X)
Transversal × longitudinal	vibração perpendicular à propagação (corda, luz) ou na mesma direção (som no ar)
Grandezas	A, λ, T e f; f = 1/T; v = λ · f; no mesmo meio, f maior ⟹ λ menor
Reflexão e refração	reflexão: a onda volta, i = r; refração: muda de meio e de velocidade, f constante, λ muda
Difração e interferência	difração: contorna obstáculos e se espalha em aberturas; interferência: as ondas se somam (construtiva ou destrutiva)
Ressonância e polarização	ressonância: força no ritmo da frequência natural aumenta a amplitude; polarização: só em ondas transversais
Som	onda mecânica e longitudinal; frequência ↔ grave/agudo; amplitude ↔ intensidade; eco: d = v · t/2; reverberação: muitas reflexões próximas