Introdução
Esta é uma experiência ilustrativa que visa facilitar a compreensão dos fenômenos ondulatórios através da visualização.
Ao gerarmos uma perturbação num meio líquido (no nosso caso: uma cuba com água, denominada cuba de ondas), a sua superfície livre ondulará de forma que a perturbação é percebida através da propagação da onda ao longo do plano determinado pela superfície. Os raios luminosos, provenientes da lâmpada colocada acima, na superfície da água, encontrando o meio líquido transparente com uma superfície curva, convergem ou divergem nestas espécies de lentes formadas pelas cristas e vales da onda que se propaga na água. As cristas da onda se comportam como lentes convergentes e geram regiões claras (no anteparo). Os vales da onda se comportam como lentes divergentes e geram as regiões escuras (ver imagem). Portanto, a distância medida entre dois pontos claros (ou escuros), corresponde ao comprimento de onda λ. As linhas formadas por pontos claros (ou escuros) são as frentes de ondas que são pontos de mesma fase.
Objetivos:
• Produzir e reconhecer pulsos circulares e retos, num meio líquido. • Produzir ondas periódicas, circulares e planas, num meio líquido. • Operar com um estroboscópio eletromecânico.
• Determinar a frequência de uma onda utilizando um estroboscópio.
• Com o uso de um cronômetro ou da interface do programa CidepeLabV1, medir o período e a frequência das piscadas produzidas pelo disco do estroboscópio (aproximadamente os mesmos valores da onda, quando esta parecer parada). • Medir o comprimento de onda.
• Calcular a velocidade da onda usando a relação v = λf.
Material:
1. Cuba transparente retangular com aproximadamente 250 ml de água.
2. Aparelho retroprojetor ou mesa de sustentação multifuncional, da cuba de ondas. 3. Gerador de abalos com ponteira simples.
4. Escala projetável que será presa no fundo da cuba. 5. Estroboscópio eletromecânico.
6. Conta-gotas.
Montagem básica:
Prenda com fita adesiva a escala na parte de baixo da cuba, pelo lado de fora. Coloque a cuba sobre o retroprojetor ou sobre a mesa de sustentação multifuncional. Ligue o retroprojetor e ajuste o foco da projeção da escala. É interessante projetar a experiência sobre um quadro branco para fazer marcações que facilitem a visualização das reflexões observadas. Coloque a água na cuba. Pingue uma gota de detergente tensoativo biodegradável na água para quebrar a tensão superficial da água. Passe um pouco de detergente nas bordas da cuba e na ponteira simples. Ao ligar o gerador de abalos levante levemente o braço do oscilador para iniciar o movimento. Posicione a ponteira de modo que toque apenas a superfície da água. Verifique a posição correta do estroboscópio e, com a fonte de luz desligada, alinhe um dos seus orifícios com a lâmpada.
Procedimentos:
PARTE 1: Formação de pulsos e ondas circulares.
a) Projete o sistema no anteparo escolhido e provoque, com o conta-gotas, uma perturbação (ou abalo) no meio líquido, deixando cair uma gota sobre a superfície da água. Torne a gerar outros pulsos deixando cair, compassadamente, gotas no interior da cuba.
b) Ligue o gerador de abalos e regule a frequência para um valor médio. c) Substitua a ponteira simples pela ponteira reta e ligue o gerador de abalos.
PARTE 2: Medida da frequência, do comprimento de onda e da velocidade da onda. Com a ponteira simples no gerador de abalos ligado, ligue o estroboscópio deixando o potenciômetro no máximo (para a direita) e, lentamente, gire o
potenciômetro no sentido anti-horário até que a projeção da onda fique com um avanço lento, quase parado, no anteparo.
Conhecendo a frequência do disco do estroboscópio, pode-se saber a frequência da onda. As frequências da onda e das piscadas serão iguais quando a onda parecer parada.
A frequência f’ de giro do disco do estroboscópio poderá ser obtida usando-se a
interface e o programa CidepeLabV1 ou, de forma aproximada, medindo-se o tempo necessário para 10 voltas: dividindo-se por 10 teremos a frequência do disco. Como são 6 orifícios no disco, multiplique a frequência f’ por 6 e obtenha a frequência f aproximada
das piscadas da lâmpada.
A onda terá a frequência:
f = 6 x f’
Determine a velocidade média da propagação da frente de ondas.
OBS: Podem ser feitas várias medidas de velocidade, variando-se a quantidade de água e, consequentemente, a profundidade. Podemos então comprovar que diminuindo a profundidade faremos, se mantivermos a frequência fixa, o λ diminuir e também a velocidade.
Ver instruções para uso da interface e do programa CidepeLabV1 no experimento “Laminas ressonantes com sensor e sofware”.
Questões:
1. Descreva a forma do pulso gerado na superfície líquida na parte 1a. Como é a propagação e a velocidade das frentes de onda em todas as direções?
2. Descreva os tipos das ondas produzidas na parte 1b. Desenhe o observado mostrando a orientação da propagação das ondas obtidas.
3. Descreva a forma do pulso gerado na superfície líquida na parte 1c. Como é a propagação e a velocidade das frentes de onda em todas as direções?
Preparação do software
No microcomputador, inicie o software CidepeLabV1. Na janela principal do programa, clique no menu “Controle de Sensores”. Na guia “Instala Sensores”, selecione o sensor fotoelétrico e clique no botão “Instala Sensor”. Clique em fechar.
A seguir, clique no menu “Configurar” e, em seguida, na guia “Equipamentos”. Nas guias “Sensores” e “Interface”, certifique-se de que o sensor fotoelétrico e a interface estão ativos. Na guia “Conexões”, na caixa “Sensores Digitais”, e selecione o sensor fotoelétrico. Selecione o canal no qual o sensor foi conectado (IN1 ou IN2) e clique em “adicionar”. Feche esta janela.
De volta à janela principal do software, localize o ícone Temporizador, que está na caixa “Ferramentas”, localizada no lado esquerdo inferior e, com o auxílio do mouse, arraste-o para o meio da área de trabalho do programa. Abrirá a janela Temporizador.
Na janela “Configuração”, selecione o sensor “Fotoelétrico”, arraste-o (com auxílio do mouse) até a janela do Temporizador e solte-o. Este procedimento faz a associação do sensor fotoelétrico à ferramenta Temporizador.
Existem cinco formas de utilização do sensor fotoelétrico com o software, indicadas pelos cinco ícones da barra de ferramentas inferior do Temporizador. Para nossa coleta de dados, utilizaremos o modo Pêndulo (intervalo de tempo entre uma
oscilação) indicado pelo quarto ícone da esquerda para direita, representado por um pêndulo. Nesse modo, é possível registrar o período de n oscilações de um móvel. Observe que na tela do Temporizador existem as opções de apresentar a leitura do período ou da frequência, além de ser possível a escolha de um número desejado de oscilações.
Para realização da coleta de dados, clique no botão “iniciar” do Temporizador (representado pelo símbolo “ > ”).