Ondas, Som e Óptica Física

Objetivo de Aprendizagem 14.1.A: Descrever as propriedades físicas de ondas e pulsos de onda.

• 14.1.A.1 Ondas transferem energia entre dois locais sem transferir matéria entre esses locais.
  • 14.1.A.1.i Um pulso de onda é uma perturbação única que transfere energia sem transferir matéria entre dois locais.
  • 14.1.A.1.ii Uma onda é modelada como uma perturbação contínua e periódica com comprimento de onda e frequência bem definidos.
• 14.1.A.2 Ondas mecânicas ou pulsos de onda requerem um meio no qual se propagarem. Ondas eletromagnéticas ou pulsos de onda não requerem um meio no qual se propagarem.
• 14.1.A.3 A velocidade com que uma onda ou pulso de onda se propaga através de um meio depende do tipo de onda e das propriedades do meio.
  • 14.1.A.3.i A velocidade de todas as ondas eletromagnéticas no vácuo é uma constante física universal, $c = 3.00 \times 10^{8}$ m/s.
  • 14.1.A.3.ii A velocidade com que um pulso de onda ou uma onda se propaga ao longo de uma corda depende da tensão na corda, $F_T$, e da massa por comprimento da corda.
    • Equação: $v_{\text{string}} = \sqrt{\dfrac{F_T}{m/\ell}}$
  • 14.1.A.3.iii Em um dado meio, a velocidade de ondas sonoras aumenta com a temperatura do meio.
• 14.1.A.4 Em uma onda transversal, a direção da perturbação é perpendicular à direção de propagação da onda.
• 14.1.A.5 Em uma onda longitudinal, a direção da perturbação é paralela à direção de propagação da onda.
  • 14.1.A.5.i Ondas sonoras são modeladas como ondas longitudinais mecânicas.
  • 14.1.A.5.ii As regiões de alta e baixa pressão em uma onda sonora são chamadas, respectivamente, de compressões e rarefações.
• 14.1.A.6 Amplitude é o deslocamento máximo de uma onda em relação à sua posição de equilíbrio.
  • 14.1.A.6.i A amplitude de uma onda de pressão longitudinal pode ser determinada pelo aumento ou diminuição máxima de pressão em relação à pressão de equilíbrio.
  • 14.1.A.6.ii O volume de um som aumenta com o aumento da amplitude.
  • 14.1.A.6.iii A energia transportada por uma onda aumenta com o aumento da amplitude.

Objetivo de Aprendizagem 14.2.A: Descrever as propriedades físicas de uma onda periódica.

• 14.2.A.1 Ondas periódicas têm repetições regulares que podem ser descritas usando período e frequência.
  • 14.2.A.1.i O período é o tempo para uma oscilação completa da onda.
  • 14.2.A.1.ii A frequência é a taxa com que a onda se repete.
    • Equação: $T = \dfrac{1}{f}$
  • 14.2.A.1.iii A amplitude de uma onda é independente do período e da frequência dessa onda.
  • 14.2.A.1.iv A energia de uma onda aumenta com o aumento da frequência.
  • 14.2.A.1.v A frequência de uma onda sonora está relacionada com seu tom (pitch).
  • 14.2.A.1.vi Comprimento de onda é a distância entre posições correspondentes sucessivas (como cristas ou vales) em uma onda.
• 14.2.A.2 Uma onda senoidal pode ser descrita por equações para o deslocamento em relação ao equilíbrio em uma localização específica como função do tempo. Uma onda também pode ser descrita por uma equação para o deslocamento em relação ao equilíbrio em um tempo específico como função da posição.
  • Equação: $x(t) = A\cos(\omega t) = A\cos(2\pi f t)$
  • Equação: $y(x) = A\cos\left(2\pi \dfrac{x}{\lambda}\right)$
• 14.2.A.3 Para uma onda periódica, o comprimento de onda é proporcional à velocidade da onda e inversamente proporcional à frequência da onda.
  • Equação: $\lambda = \dfrac{v}{f}$

Objetivo de Aprendizagem 14.3.A: Descrever a interação entre uma onda e uma fronteira.

• 14.3.A.1 Uma onda que viaja de um meio para outro pode ser transmitida ou refletida, dependendo das propriedades da fronteira que separa os dois meios.
  • 14.3.A.1.i Uma onda viajando de um meio para outro (por exemplo, uma onda viajando entre cordas de baixa massa e alta massa) resultará em ondas refletidas e transmitidas.
  • 14.3.A.1.ii Uma onda refletida está invertida se a onda transmitida viajar para um meio no qual a velocidade da onda diminui.
  • 14.3.A.1.iii Uma onda refletida não está invertida se a onda transmitida viajar para um meio no qual a velocidade da onda aumenta.
  • 14.3.A.1.iv A frequência de uma onda não muda quando ela viaja de um meio para outro.
• 14.3.A.2 Ondas transversais que são refletidas de uma superfície, refratadas através de um meio ou passam por aberturas específicas podem ser polarizadas.
  • 14.3.A.2.i Ondas transversais podem ser polarizadas e oscilar em um único plano.
  • 14.3.A.2.ii Ondas longitudinais não podem ser polarizadas.
• 14.3.A.3 A polarização de uma onda pode resultar em uma redução da intensidade da onda.
  • 14.3.A.3.i Intensidade é uma medida da quantidade de potência transferida por unidade de área.
  • 14.3.A.3.ii A intensidade de uma onda é a potência média por unidade de área sobre um período da onda.

Objetivo de Aprendizagem 14.4.A: Descrever as propriedades de uma onda eletromagnética.

• 14.4.A.1 Ondas eletromagnéticas consistem em campos elétricos e magnéticos oscilantes que são mutuamente perpendiculares.
  • 14.4.A.1.i Ondas eletromagnéticas são ondas transversais porque as oscilações dos campos elétrico e magnético são perpendiculares à direção de propagação.
  • 14.4.A.1.ii Ondas eletromagnéticas são comumente assumidas como ondas planas, que são caracterizadas por frentes de onda planas.
• 14.4.A.2 Ondas eletromagnéticas não precisam de um meio pelo qual se propagarem.
• 14.4.A.3 Categorias de ondas eletromagnéticas são caracterizadas por seus comprimentos de onda.
  • 14.4.A.3.i Categorias de ondas eletromagnéticas incluem (em ordem de comprimento de onda decrescente, abrangendo uma faixa de quilômetros a picômetros) ondas de rádio, micro-ondas, infravermelho, visível, ultravioleta, raios-X e raios gama.
  • 14.4.A.3.ii Ondas eletromagnéticas visíveis são subdivididas em categorias de cor, incluindo (em ordem de comprimento de onda decrescente) vermelho, laranja, amarelo, verde, azul e violeta.
  • 14.4.A.3.iii Ondas eletromagnéticas visíveis também são chamadas de luz. Às vezes, ondas eletromagnéticas de todos os comprimentos de onda são coletivamente referidas como luz ou radiação eletromagnética.

Declaração de limite: A AP Physics 2 espera que os alunos saibam a ordenação do espectro eletromagnético (incluindo a luz visível). No entanto, os alunos não serão esperados a definir faixas exatas de comprimento de onda dentro do espectro eletromagnético.

Objetivo de Aprendizagem 14.5.A: Descrever as propriedades de uma onda com base no movimento relativo entre a fonte da onda e o observador da onda.

• 14.5.A.1 O efeito Doppler descreve a relação entre a frequência de repouso de uma fonte de onda, a frequência observada da fonte e a velocidade relativa da fonte e do observador.
• 14.5.A.2 Uma maior velocidade relativa resulta em uma maior diferença medida entre as frequências observada e de repouso.
  • 14.5.A.2.i Para uma fonte de onda movendo-se à mesma velocidade do observador, a frequência observada é igual à frequência de repouso.
  • 14.5.A.2.ii Para uma fonte de onda movendo-se em direção a um observador, a frequência observada é maior que a frequência de repouso.
  • 14.5.A.2.iii Para uma fonte de onda movendo-se para longe de um observador, a frequência observada é menor que a frequência de repouso.

Declaração de limite: Apenas tratamentos qualitativos do efeito Doppler são exigidos para a AP Physics 2.

Objetivo de Aprendizagem 14.6.A: Descrever a perturbação resultante que ocorre quando dois ou mais pulsos de onda ou ondas se sobrepõem.

• 14.6.A.1 Interferência de ondas é a interação de dois ou mais pulsos de onda ou ondas.
• 14.6.A.2 Quando dois ou mais pulsos de onda ou ondas interagem uns com os outros, eles atravessam uns aos outros e se sobrepõem em vez de baterem uns nos outros.
• 14.6.A.3 Quando dois ou mais pulsos de onda ou ondas se sobrepõem, o deslocamento resultante pode ser determinado somando os deslocamentos individuais. Isso é chamado superposição.
• 14.6.A.4 A interferência de ondas pode ser construtiva ou destrutiva.
  • 14.6.A.4.i Quando os deslocamentos dos pulsos de onda ou ondas sobrepostos estão na mesma direção, a interação é chamada de interferência construtiva.
  • 14.6.A.4.ii Quando os deslocamentos dos pulsos de onda ou ondas sobrepostos estão em direções opostas, a interação é chamada de interferência destrutiva.
  • 14.6.A.4.iii Dois ou mais pulsos de onda ou ondas viajantes podem interagir de tal forma a produzir variações de amplitude no pulso de onda ou onda resultante.
• 14.6.A.5 Representações visuais de pulsos de onda ou ondas são úteis para determinar o resultado de dois pulsos de onda interagentes ou duas ondas interagentes.
• 14.6.A.6 Batimentos surgem da soma de duas ondas com frequências ligeiramente diferentes.
  • 14.6.A.6.i Ondas com frequências diferentes estão às vezes em fase e às vezes fora de fase em locais ao longo das ondas, causando variações periódicas na amplitude da onda resultante.
  • 14.6.A.6.ii A frequência de batimento é a diferença entre as frequências das duas ondas.
    • Equação: $\left|f_{\text{beat}}\right| = \left|f_1 - f_2\right|$
  • 14.6.A.6.iii Forquilhas de sintonia são dispositivos comumente usados para demonstrar frequências de batimento.

Objetivo de Aprendizagem 14.6.B: Descrever as propriedades de uma onda estacionária.

• 14.6.B.1 Ondas estacionárias podem resultar da interferência entre duas ondas que estão confinadas a uma região e se propagam em direções opostas.
  • 14.6.B.1.i Ondas estacionárias possuem nós e antinós. Um nó é um ponto na onda estacionária onde a amplitude é sempre zero. Um antinó é um ponto na onda estacionária onde a amplitude é sempre máxima.
  • 14.6.B.1.ii Os comprimentos de onda possíveis de uma onda estacionária são determinados pelo tamanho e pelas condições de contorno da região à qual ela está confinada.
  • 14.6.B.1.iii Regiões comuns onde ondas estacionárias podem se formar incluem tubos com extremidades abertas ou fechadas, bem como cordas com extremidades fixas ou soltas.
• 14.6.B.2 Uma onda estacionária com o maior comprimento de onda possível é chamada de fundamental ou primeira harmônica. O segundo maior comprimento de onda é geralmente chamado de segunda harmônica, o terceiro maior comprimento de onda é chamado de terceira harmônica, e assim por diante. No entanto, para uma onda estacionária com um nó em uma extremidade e um antinó na outra extremidade, apenas harmônicas ímpares podem ser estabelecidas.
• 14.6.B.3 Representações visuais de ondas estacionárias são úteis para determinar as relações entre o comprimento da região, o comprimento de onda, a frequência, a velocidade da onda e a harmônica.

Objetivo de Aprendizagem 14.7.A: Descrever o comportamento de uma onda e o padrão de difração resultante de uma onda passando por uma única abertura.

• 14.7.A.1 Difração é o espalhamento de uma onda ao redor das bordas de um obstáculo ou através de uma abertura.
• 14.7.A.2 A difração é mais pronunciada quando o tamanho da abertura é comparável ao comprimento de onda da onda.
• 14.7.A.3 A difração de múltiplos frentes de onda através de uma única abertura leva a padrões de interferência observáveis.
• 14.7.A.4 A difração é comumente demonstrada por luz monocromática de comprimento de onda $\lambda$ incidindo sobre uma abertura estreita de largura $a$ que está a uma distância $L$ de uma tela.
  • 14.7.A.4.i A interferência construtiva e destrutiva de múltiplas frentes de onda originadas na abertura resultará em bandas claras e escuras na tela.
  • 14.7.A.4.ii A quantidade de interferência entre duas frentes de onda depende da diferença de comprimento de caminho $\Delta D$ das frentes de onda.
  • 14.7.A.4.iii A diferença de comprimento de caminho $\Delta D$ pode ser descrita em termos da largura da abertura $a$ e do ângulo $\theta$ entre a direção de propagação da frente de onda e a normal à abertura pela equação $\Delta D = a\sin\theta$.
  • 14.7.A.4.iv Para pequenos ângulos, onde $\theta < 10°$, a aproximação de pequeno ângulo pode ser usada para relacionar $\lambda$, $a$ e $L$ a $y_{\min}$, a distância do meio da franja clara central até a ordem $m^{\text{th}}$ de mínima luminosidade na tela.
    • Equação: $a\left(\dfrac{y_{\min}}{L}\right) \approx m\lambda$
• 14.7.A.5 O padrão de difração produzido por uma onda passando por uma abertura depende da forma da abertura.
• 14.7.A.6 Representações visuais de padrões de difração de fenda simples são úteis para determinar as propriedades físicas da fenda e das ondas interagentes.

Objetivo de Aprendizagem 14.8.A: Descrever o comportamento de uma onda e o padrão de difração resultante da onda passando por múltiplas aberturas.

• 14.8.A.1 O padrão resultante de luz monocromática de comprimento de onda $\lambda$ incidindo sobre duas fendas separadas por uma distância $d$ é causado por uma combinação de difração de onda e interferência de onda.
  • 14.8.A.1.i Ao considerar apenas a interferência de ondas, uma fenda dupla cria um padrão de máximos uniformemente espaçados.
  • 14.8.A.1.ii A interferência construtiva e destrutiva das frentes de onda originadas em cada fenda resultará em bandas claras e escuras na tela.
  • 14.8.A.1.iii A quantidade de interferência entre duas frentes de onda depende da diferença de comprimento de caminho $\Delta D$ das frentes de onda.
  • 14.8.A.1.iv A diferença de comprimento de caminho $\Delta D$ pode ser descrita em termos da separação das fendas $d$ e do ângulo $\theta$ entre a direção de propagação da frente de onda e a normal à abertura pela equação $\Delta D = d\sin\theta$.
  • 14.8.A.1.v Para pequenos ângulos, onde $\theta < 10°$, a aproximação de pequeno ângulo pode ser usada para relacionar $\lambda$, $d$ e $L$ a $y_{\max}$, a distância do meio da franja clara central até a ordem $m^{\text{th}}$ de máxima luminosidade na tela.
    • Equação: $d\left(\dfrac{y_{\max}}{L}\right) \approx m\lambda$
  • 14.8.A.1.vi Ao considerar interferência de ondas e difração de ondas, uma fenda dupla cria um padrão de interferência de máximos e mínimos sobrepostos dentro do envelope criado pela difração de fenda simples.
• 14.8.A.2 Padrões de interferência produzidos por luz interagindo com uma fenda dupla indicam que a luz possui propriedades de onda. A fonte desta descoberta foi o experimento da fenda dupla de Young.
• 14.8.A.3 Representações visuais de padrões de difração de fenda dupla são úteis para determinar as propriedades físicas das fendas e das ondas interagentes.
• 14.8.A.4 Uma rede de difração é uma coleção de fendas ou aberturas paralelas e igualmente espaçadas que produzem um padrão de interferência que é a combinação de muitos padrões de difração sobrepostos uns aos outros.
• 14.8.A.5 Quando luz branca incide sobre uma rede de difração, o máximo central é branco e os máximos de ordem superior dispersam a luz branca em um arco-íris de cores, com a luz de maior comprimento de onda (vermelho) aparecendo mais longe do máximo central.

Objetivo de Aprendizagem 14.9.A: Descrever o comportamento da luz que interage com um filme fino.

• 14.9.A.1 Quando a luz viaja de um meio para outro, parte da luz é transmitida, parte é refletida e parte é absorvida.
• 14.9.A.2 A mudança de fase de um raio refletido depende dos índices de refração relativos dos materiais com os quais o raio interage.
  • 14.9.A.2.i Uma mudança de fase de 180 graus ocorre quando um raio de luz é refletido de um meio com índice de refração maior do que o meio pelo qual o raio está viajando.
  • 14.9.A.2.ii Nenhuma mudança de fase ocorre quando um raio de luz é refletido de um meio com índice de refração menor do que o meio pelo qual o raio está viajando.
• 14.9.A.3 A fase de uma onda não muda quando é refratada ao passar de um meio para outro.
• 14.9.A.4 A interferência em filmes finos ocorre quando a luz interage com um meio cuja espessura é comparável ao comprimento de onda da luz.
  • 14.9.A.4.i As interações entre a luz inicialmente refletida e a luz saindo do filme fino após ser refletida na segunda interface exibem comportamento de interferência de ondas, resultando em uma única onda que é a soma das duas ondas interagentes.
  • 14.9.A.4.ii A quantidade de interferência construtiva ou destrutiva entre as duas ondas refletidas depende da relação entre a espessura do filme, o comprimento de onda da luz, quaisquer deslocamentos de fase e o ângulo em que a luz incidente incide no filme.
• 14.9.A.5 Exemplos práticos de interferência em filmes finos incluem as variações de cor vistas em bolhas de sabão e filmes de óleo, bem como revestimentos antirreflexo.
  • 14.9.A.5.i O espectro de cores observado em filmes de óleo e bolhas de sabão surge de diferenças na espessura do filme.
  • 14.9.A.5.ii Revestimentos antirreflexo eliminam a luz refletida aplicando as relações entre índices de refração, deslocamento de fase e interferência de ondas para criar interferência destrutiva da luz refletida das duas superfícies do revestimento.
  • 14.9.A.5.iii O revestimento antirreflexo mais simples tem uma espessura igual a um quarto do comprimento de onda da luz no revestimento, e o índice de refração do revestimento é maior que o do ar e menor que o da superfície sobre a qual o revestimento é aplicado. Isso assume luz incidente normal à superfície.

Declaração de fronteira: A análise quantitativa da interferência em filmes finos é limitada a ondas que são normais à superfície incidente.