Física. Fenômenos ondulatórios. Teoria. Reflexão. Refração. Absorção. Difração

Fenômenos ondulatórios Teoria

Reflexão

A reflexão ondulatória é a mesma da reflexão da óptica geométrica. O fenômeno ocorre quando uma onda incide sobre uma superfície e retorna após a incidência. Na reflexão pode ocorrer apenas mudança de direção.

As outras grandezas se mantêm.

Refração

Refração é o fenômeno caracterizado pela mudança na velocidade da onda. Possui a mesma estrutura da refração da óptica geométrica, com mais alguns detalhes.

● Não há variação de frequência ou período para uma onda que sofre refração. O comprimento de onda é que varia de forma diretamente proporcional à velocidade.

● Não é preciso mudança de direção ou de meio para que ocorra refração. É preciso que ocorram mudanças nas características do meio para que a velocidade modifique. Por exemplo, para uma onda do mar, basta mudar a profundidade que teremos mudança de velocidade, para uma onda sonora a velocidade no ar quente é diferente do ar frio.

Absorção

Em Física, absorção se relaciona à parcela de energia que persiste em um corpo após incidir sobre ele.

Contrapõe-se às parcelas correspondentes à transmissão (refração) e à reflexão. Basta lembrarmos de todo o estudo que realizamos na parte da Óptica Geométrica.

Difração

Fenômeno que acontece quando uma onda encontra um obstáculo. Em Física Clássica, o fenômeno da difração é descrito como uma aparente flexão das ondas em volta de pequenos obstáculos e também como o espalhamento, ou alargamento, das ondas após atravessar orifícios ou fendas. O fenômeno da difração acontece com todos os tipos de ondas.

A difração do som possibilita que as ondas sonoras contornem obstáculos com dimensões de até 20m.

Ressonância

Nas figuras, A e B são diapasões idênticos. Batendo-se apenas no diapasão A, observamos que o diapasão B também vibra. Isso ocorre porque B é excitado pelas ondas sonoras provenientes de A, cuja frequência é igual à sua frequência de vibração natural. Esse fenômeno é a ressonância.

A taça foi excitada continuamente por um som bastante intenso e de frequência adequada.

Desse modo, ela entrou em ressonância com o som, passando a vibrar cada vez mais intensamente até se estilhaçar.

Polarização

Os fenômeno de polarização consistem em um processo de filtrar a onda e forma a selecionar uma determinada direção de vibração.

Interferência

A interferência é o resultado da superposição entre ondas. Essa superposição pode provocar um aumento na amplitude (interferência construtiva) ou diminuição na amplitude (interferência destrutiva).

Equação da interferência A equação da interferência:

|𝑃_𝐹1− 𝑃𝐹₂| = 𝜂.𝜆 2

onde o 𝑃_𝐹1 é a distância do ponto até a fonte 𝐹₁ e 𝑃_{𝐹 2} é a distância do ponto até a fonte 𝐹₂. O valor 𝜂 é um número inteiro (1, 2, 3...) e 𝜆 é o comprimento de onda. Para saber a interferência no ponto deve-se descobrir se o n é par ou ímpar. Fontes em fase são fontes ligadas simultaneamente e em oposição de fase há um atraso entre elas, geralmente o exercício diz se estão ou não em fase.

Fontes em fase Fontes em oposição de fase N par Int. Construtiva Int. Destrutiva

N ímpar Int. Destrutiva Int. Construtiva

Efeito Doppler em ondas sonoras

Efeito Doppler no som

O efeito Doppler constitui o fenômeno pelo qual um observador percebe frequências diferentes das emitidas por uma fonte. Isso ocorre devido à velocidade relativa entre a onda sonora e o movimento relativo entre o observador e/ou a fonte.

Caso a fonte esteja se afastando do ponto de referência (observador), notamos valores de frequência baixos.

Já se a fonte se aproxima do ponto de referência (observador), notamos valores de frequência altos.

Exercícios de fixação

1.

Marque a alternativa incorreta a respeito de ondas refletidas em cordas.

a) a reflexão sempre ocorre com inversão de fase quando a extremidade da corda é fixa.

b) a reflexão sempre ocorre mantendo-se a fase quando a extremidade da corda é livre.

c) pode-se considerar que, na reflexão de um pulso em uma extremidade fixa, a amplitude da onda terá o sinal alterado.

d) na passagem de uma onda entre uma corda grossa e uma corda fina, o pulso, além da refração, sofrerá reflexão com inversão de fase.

e) todas as alternativas estão incorretas.

2.

Marque a alternativa correta a respeito da refração de ondas.

a) A região de maior velocidade da onda sempre possuirá ondas de maior frequência.

b) Em um lago, as regiões mais rasas apresentam ondas mais velozes que as ondas de regiões mais profundas.

c) Na refração, as ondas mantêm seu comprimento de onda inalterado, pois essa característica depende exclusivamente da fonte.

d) Em um lago, as regiões mais rasas apresentam ondas menos velozes que as ondas de regiões mais profundas.

e) A região de maior velocidade da onda sempre possuirá ondas de menor frequência.

3.

A principal diferença entre o comportamento de ondas transversais e de ondas longitudinais consiste no fato de que estas:

a) não produzem efeitos de interferência b) não se refletem

c) não se refratam d) não se difratam e) não podem ser polarizadas

4.

A Ponte de Tacoma, nos Estados Unidos, ao receber impulsos periódicos do vento, entrou em vibração e foi totalmente destruída. O fenômeno que melhor explica esse fato é:

a) o efeito Doppler b) a ressonância c) a interferência d) a difração e) a polarização

5.

Thomas Young (1773-1829) fez a luz de uma fonte passar por duas fendas paralelas antes de atingir um obstáculo e observou no anteparo o surgimento de regiões claras e escuras. Marque a alternativa verdadeira a respeito desse fenômeno:

a) Trata-se do fenômeno da refração, em que a luz tem condição de passar por obstáculos.

b) Trata-se do fenômeno da difração, que ocorre somente com ondas mecânicas.

c) Trata-se do fenômeno da difração, em que, após a passagem por pequenos obstáculos, as ondas tendem a contorná-lo.

d) Trata-se do fenômeno da polarização, em que, após a passagem por pequenos obstáculos, as ondas tendem a contorná-lo.

e) Trata-se do fenômeno da difração, em que, após a passagem por pequenos obstáculos, as ondas mecânicas tendem a contorná-lo.

Exercícios de vestibulares

1.

(Enem, PPL, 2020) Alguns cinemas apresentam uma tecnologia em que as imagens dos filmes parecem tridimensionais, baseada na utilização de óculos 3D. Após atravessar cada lente dos óculos, as ondas luminosas, que compõem as imagens do filme, emergem vibrando apenas na direção vertical ou apenas na direção horizontal.

Com base nessas informações, o funcionamento dos óculos 3D ocorre por meio do fenômeno ondulatório de:

a) difração.

b) dispersão.

c) reflexão.

d) refração.

e) polarização.

2.

(Enem digital, 2020) Para se deslocar e obter alimentos, alguns mamíferos, como morcegos e golfinhos, contam com a sofisticada capacidade biológica de detectar a posição de objetos e animais pela emissão e recepção de ondas ultrassônicas.

O fenômeno ondulatório que permite o uso dessa capacidade biológica é a:

a) reflexão.

b) difração.

c) refração.

d) dispersão.

e) polarização.

3.

(Enem PPL, 2020) Alguns modelos mais modernos de fones de ouvido têm um recurso, denominado

“cancelador de ruídos ativo”, constituído de um circuito eletrônico que gera um sinal sonoro semelhante ao sinal externo (ruído), exceto pela sua fase oposta.

Qual fenômeno físico é responsável pela diminuição do ruído nesses fones de ouvido?

a) Difração.

b) Reflexão.

c) Refração.

d) Interferência.

e) Efeito Doppler.

4.

(Enem, 2020) Os fones de ouvido tradicionais transmitem a música diretamente para os nossos ouvidos. Já os modelos dotados de tecnologia redutora de ruído – Cancelamento de Ruído (CR) – além de transmitirem música, também reduzem todo ruído inconsistente à nossa volta, como o barulho de turbinas de avião e aspiradores de pó. Os fones de ouvido CR não reduzem realmente barulhos irregulares como discursos e choros de bebês. Mesmo assim, a supressão do ronco das turbinas do avião contribui para reduzir a “fadiga de ruído”, um cansaço persistente provocado pela exposição a um barulho alto por horas a fio. Esses aparelhos também permitem que nós ouçamos músicas ou assistamos a vídeos no trem ou no avião a um volume muito menor (e mais seguro).

Disponível em: http://tecnologia.uol.com.br. Acesso em: 21 abr. 2015 (adaptado).

A tecnologia redutora de ruído CR utilizada na produção de fones de ouvido baseia-se em qual fenômeno ondulatório?

a) Absorção.

b) Interferência.

c) Polarização.

d) Reflexão.

e) Difração.

5.

(Enem PPL 2017) Ao sintonizar uma estação de rádio AM, o ouvinte está selecionando apenas uma dentre as inúmeras ondas que chegam à antena receptora do aparelho. Essa seleção acontece em razão da ressonância do circuito receptor com a onda que se propaga.

O fenômeno físico abordado no texto é dependente de qual característica da onda?

a) Amplitude.

b) Polarização.

c) Frequência.

d) Intensidade.

e) Velocidade.

6.

(Enem PPL 2017) O debate a respeito da natureza da luz perdurou por séculos, oscilando entre a teoria corpuscular e a teoria ondulatória. No início do século XIX, Thomas Young, com a finalidade de auxiliar na discussão, realizou o experimento apresentado de forma simplificada na figura. Nele, um feixe de luz monocromático passa por dois anteparos com fendas muito pequenas. No primeiro anteparo há uma fenda e no segundo, duas fendas. Após passar pelo segundo conjunto de fendas, a luz forma um padrão com franjas claras e escuras.

Com esse experimento, Young forneceu fortes argumentos para uma interpretação a respeito da natureza da luz, baseada em uma teoria:

a) corpuscular, justificada pelo fato de, no experimento, a luz sofrer dispersão e refração.

b) corpuscular, justificada pelo fato de, no experimento, a luz sofrer dispersão e reflexão.

c) ondulatória, justificada pelo fato de, no experimento, a luz sofrer difração e polarização.

d) ondulatória, justificada pelo fato de, no experimento, a luz sofrer interferência e reflexão.

e) ondulatória, justificada pelo fato de, no experimento, a luz sofrer difração e interferência.

7.

(Enem 2018) Muitos primatas, incluindo nós humanos, possuem visão tricromática: têm três pigmentos visuais na retina sensíveis à luz de uma determinada faixa de comprimentos de onda. Informalmente, embora os pigmentos em si não possuam cor, estes são conhecidos como pigmentos “azul”, “verde” e

“vermelho” e estão associados à cor que causa grande excitação (ativação). A sensação que temos ao observar um objeto colorido decorre da ativação relativa dos três pigmentos. Ou seja, se estimulássemos a retina com uma luz na faixa de 530 nm (retângulo I no gráfico), não excitaríamos o pigmento “azul”, o pigmento “verde” seria ativado ao máximo e o “vermelho” seria ativado em aproximadamente 75%, e isso nos daria a sensação de ver uma cor amarelada. Já uma luz na faixa de comprimento de onda de 600 nm (retângulo II) estimularia o pigmento “verde” um pouco e o “vermelho”

em cerca de 75%, e isso nos daria a sensação de ver laranja-avermelhado. No entanto, há características genéticas presentes em alguns indivíduos, conhecidas coletivamente como Daltonismo, em que um ou mais pigmentos não funcionam perfeitamente.

Caso estimulássemos a retina de um indivíduo com essa característica, que não possuísse o pigmento conhecido como “verde”, com as luzes de 530 nm e 600 nm na mesma intensidade luminosa, esse indivíduo seria incapaz de:

a) identificar o comprimento de onda do amarelo, uma vez que não possui o pigmento “verde”.

b) ver o estímulo de comprimento de onda laranja, pois não haveria estimulação de um pigmento visual.

c) detectar ambos os comprimentos de onda, uma vez que a estimulação dos pigmentos estaria

8.

(Enem PPL, 2018) Alguns modelos mais modernos de fones de ouvido contam com uma fonte de energia elétrica para poderem funcionar. Esses novos fones têm um recurso, denominado “Cancelador de Ruídos Ativo”, constituído de um circuito eletrônico que gera um sinal sonoro semelhante ao sinal externo de frequência fixa. No entanto, para que o cancelamento seja realizado, o sinal sonoro produzido pelo circuito precisa apresentar simultaneamente características específicas bem determinadas.

Quais são as características do sinal gerado pelo circuito desse tipo de fone de ouvido?

a) Sinal com mesma amplitude, mesma frequência e diferença de fase igual a 90 em relação ao sinal externo.

b) Sinal com mesma amplitude, mesma frequência e diferença de fase igual a 180 em relação ao sinal externo.

c) Sinal com mesma amplitude, mesma frequência e diferença de fase igual a 45 em relação ao sinal externo.

d) Sinal de amplitude maior, mesma frequência e diferença de fase igual a 90 em relação ao sinal externo.

e) Sinal com mesma amplitude, mesma frequência e mesma fase do sinal externo.

9.

(Enem 2017) O trombone de Quincke é um dispositivo experimental utilizado para demonstrar o fenômeno da interferência de ondas sonoras. Uma fonte emite ondas sonoras de determinada frequência na entrada do dispositivo. Essas ondas se dividem pelos dois caminhos (ADC e AEC) e se encontram no ponto C, a saída do dispositivo, onde se posiciona um detector. O trajeto ADC pode ser aumentado pelo deslocamento dessa parte do dispositivo. Com o trajeto ADC igual ao AEC, capta-se um som muito intenso na saída. Entretanto, aumentando-se gradativamente o trajeto ADC, até que ele fique como mostrado na figura, a intensidade do som na saída fica praticamente nula. Desta forma, conhecida a velocidade do som no interior do tubo (320  m s⁄ ), é possível determinar o valor da frequência do som produzido pela fonte.

O valor da frequência, em hertz, do som produzido pela fonte sonora é:

a) 3.200 b) 1.600 c) 800 d) 640

10.

(Enem 2017) A epilação a laser (popularmente conhecida como depilação a laser) consiste na aplicação de uma fonte de luz para aquecer e causar uma lesão localizada e controlada nos folículos capilares.

Para evitar que outros tecidos sejam danificados, selecionam-se comprimentos de onda que são absorvidos pela melanina presente nos pelos, mas que não afetam a oxi-hemoglobina do sangue e a água dos tecidos da região em que o tratamento será aplicado. A figura mostra como é a absorção de diferentes comprimentos de onda pela melanina, oxi-hemoglobina e água.

Qual é o comprimento de onda, em nm, ideal para a epilação a laser?

a) 400 b) 700 c) 1.100 d) 900 e) 500

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Gabaritos

Exercícios de fixação 1. D

Na passagem de uma onda entre uma corda fina e uma corda grossa, o pulso, além da refração, sofrerá reflexão com inversão de fase.

2. D

A refração de ondas na água ocorre na passagem delas entre regiões com diferentes profundidades. O que se percebe empiricamente é que, nas regiões de maior profundidade, as ondas são mais velozes.

3. E

O pronome demonstrativo “essa“ refere-se às ondas longitudinais. Neste sentido, as ondas longitudinais não podem ser polarizadas, enquanto as ondas transversais podem ser polarizadas.

4. B

A ponte de Tacoma foi submetida a ventos que vibravam com a mesma frequência natural que a dela.

Por isso, ela entrou em ressonância com eles, chegando a balançar como se fosse um papel exposto ao vento, o que causou sua destruição.

5. C

A difração diz respeito à tendência das ondas, mecânicas ou eletromagnéticas, de contornarem pequenos obstáculos.

Exercícios de vestibulares

1. E

O fenômeno associado à propagação de uma onda num único plano chama-se polarização.

2. A

Após emitidas, as ondas são refletidas para que possam retornar ao animal para o seu reconhecimento da posição dos objetos. Ou seja, esta capacidade é permitida através da reflexão das ondas ultrassônicas.

3. D

Esse fenômeno ocorre quando há superposição de dois pulsos de mesma amplitude em oposição de fases. Esse fenômeno é denominado Interferência Destrutiva.

4. B

O próprio fone possui um dispositivo que emite um sinal sonoro em oposição de fase com o som recebido, provocando o fenômeno de interferência, no caso, destrutiva.

5. C

A ressonância está relacionada ao recebimento de energia por um sistema quando uma de suas frequências naturais de vibração coincide com a frequência de excitação da fonte.

6. E

O experimento de Young consistiu no desenvolvimento de um método para a obtenção de duas fontes de luz em fase pela dupla difração dos raios luminosos através de fendas no anteparo, para assim provar a natureza ondulatória da luz devido à interferência entre as ondas geradas, ilustrada pelo aparecimento de franjas claras (interferência construtiva) e franjas escuras (interferência destrutiva).

7. E

Caso o indivíduo não possuísse o pigmento “verde”, os comprimentos de onda relativos aos retângulos I e II da figura (referentes aos comprimentos de onda de 𝟓𝟑𝟎 𝒏𝒎 e 𝟔𝟎𝟎 𝒏𝒎 respectivamente) estimulariam apenas o pigmento “vermelho” e com praticamente a mesma porcentagem de ativação, o que resultaria numa incapacidade de distinguir ambos os comprimentos de onda.

8. B

Para que o cancelamento seja realizado tem que haver interferência destrutiva. Para tal, os pulsos têm que tem mesma amplitude, mesma frequência e estar em oposição de fases, ou seja, defasados de 180 . 9. C

Como a intensidade do som foi de muito intensa para nula, a interferência no ponto C foi de construtiva para destrutiva, sendo a condição para esta última dada por:

𝒅_𝑨𝑫𝑪− 𝒅_𝑨𝑬𝑪=𝝀 𝟐

Logo, o comprimento de onda deverá ser de:

𝟐(𝟒𝟎 − 𝟑𝟎) =𝝀

𝟐⇒ 𝝀 = 𝟒𝟎 𝒄𝒎 = 𝟎, 𝟒 𝒎

Pela Equação Fundamental da Ondulatória, obtemos a frequência pedida:

𝒗 = 𝝀𝒇 𝟑𝟐𝟎 = 𝟎, 𝟒𝒇

∴ 𝒇 = 𝟖𝟎𝟎 𝑯𝒛 10. B

De acordo com a figura do enunciado, o comprimento de onda mais adequado é o de 700 nm, pois não há absorção por parte da oxi-hemoglobina e nem da água.