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Ondas

Física do IGCSE · Tópico 3

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17:11

Ondas

Jogue uma pedra em um tanque de água, e anéis se espalham para fora. Mas observe uma folha flutuando na superfície — ela apenas sobe e desce; não viaja com as ondulações.…

Narração em inglês · Legendas em inglês + 中文 gravadas

3.1

Propriedades gerais das ondas

Programa
Central Suplementar
1 Saber que as ondas transferem energia sem transferir matéria
2 Descrever o que se entende por movimento ondulatório ilustrado por vibrações em cordas e molas, e por experimentos usando ondas de água
3 Descrever as características de uma onda em termos de frente de onda, comprimento de onda, frequência, crista (pico), vale, amplitude e velocidade da onda
4 Lembrar e usar a equação para velocidade da onda $v = f \lambda$
5 Saber que, para uma onda transversal, a direção da vibração é perpendicular à direção de propagação e entender que radiação eletromagnética, ondas de água e ondas sísmicas S (secundárias) podem ser modeladas como transversais
6 Saber que, para uma onda longitudinal, a direção da vibração é paralela à direção de propagação e entender que ondas sonoras e ondas sísmicas P (primárias) podem ser modeladas como longitudinais
7 Descrever como as ondas podem sofrer: (a) reflexão em uma superfície plana (b) refração devido a uma mudança de velocidade (c) difração através de uma abertura estreita 9 Descrever como o comprimento de onda e o tamanho da abertura afetam a difração através de uma abertura
8 Descrever o uso de um tanque de ondulação para mostrar: (a) reflexão em uma superfície plana (b) refração devido a uma mudança de velocidade causada por uma mudança de profundidade (c) difração devido a uma abertura (d) difração devido a uma borda 10 Descrever como o comprimento de onda afeta a difração em uma borda

Fonte: Programa Cambridge International

Ondas transversais versus longitudinais

Uma onda 波 transporta energia 能量 de um lugar para outro sem transportar matéria. Por exemplo, uma onda na água faz uma rolha flutuante subir e descer, mas a rolha não viaja junto com a onda. Você pode criar uma onda em uma corda agitando uma extremidade para cima e para baixo, ou em uma mola longa empurrando uma extremidade para frente e para trás. Em uma tanque de ondulação 波纹水槽 (uma bandeja rasa de água com uma luz acima dela), você pode observar ondas na água em uma tela abaixo.

Descrever uma onda

  • wavefront 波前: uma linha que une pontos em uma onda que se movem juntos (por exemplo, o topo de uma ondulação)
  • comprimento de onda 波长 ($\lambda$): a distância entre duas frentes de onda vizinhas (uma onda completa)
  • frequência 频率 ($f$): o número de ondas que passam por um ponto a cada segundo, medido em hertz (Hz)
  • crest 波峰 (também chamado de pico 峰, o topo) e trough 波谷 (o fundo)
  • amplitude 振幅: a maior distância que um ponto se move em relação à sua posição de equilíbrio
  • wave speed 波速 ($v$): a velocidade com que uma frente de onda se propaga
Uma onda com o comprimento de onda, amplitude, crista e vale rotulados
As partes de uma onda: comprimento de onda, amplitude, crista e vale

Estas estão ligadas pela equação da onda:

$$v = f\lambda$$
Uma onda transversal com o comprimento de onda, amplitude, crista, vale e direção de propagação rotulados
O comprimento de onda é a distância entre duas cristas; a amplitude é a altura da posição de equilíbrio até uma crista

Exemplo resolvido. Uma onda sonora viaja a $340\ \text{m/s}$ e tem uma frequência de $170\ \text{Hz}$. Encontre seu comprimento de onda.

Reorganizando $v = f\lambda$ dá $\lambda = \dfrac{v}{f}$:

$$\lambda = \frac{340}{170} = 2.0\ \text{m}$$

Dois tipos de onda

  • Em uma onda transversal 横波, as partículas vibram perpendicularmente (90°) à direção de propagação da onda (propagation 传播). Luz, ondas na água e ondas S sísmicas (o tremor lateral em um terremoto) são transversais.
  • Em uma onda longitudinal 纵波, as partículas vibram na mesma direção em que a onda viaja. Som e ondas P sísmicas são longitudinais.
Uma onda transversal acima de uma onda longitudinal, mostrando como as partículas se movem em cada uma
Em uma onda transversal as partículas vibram transversalmente à direção de propagação; em uma onda longitudinal elas vibram ao longo dela, formando compressões e rarefações

Comportamento das ondas

Todas as ondas podem apresentar três comportamentos, que você pode ver em uma tanque de ondas:

  • reflection 反射: a onda rebate em uma superfície.
  • refraction 折射: a onda muda de velocidade (e geralmente de direção) ao entrar em um material ou profundidade diferente.
  • diffraction 衍射: a onda se espalha após passar por uma abertura ou contornar uma borda. O espalhamento é máximo quando a abertura tem tamanho aproximadamente igual ao comprimento de onda.
Frentes de onda retas atingindo uma barreira com uma fenda estreita e se espalhando em frentes curvas além dela
Ondas planas passando por uma fenda estreita se espalham em ondas curvas — a difração é mais forte quando a fenda tem cerca de um comprimento de onda de largura
Ondas planas de água em um tanque de ondas refletindo em uma barreira reta
Ondas planas em um tanque de ondas refletem em uma barreira reta: as frentes de onda refletidas saem no mesmo ângulo em que chegaram
Explorar

Propriedades de ondas

y = a sin(bx + c)

Uma onda: a é amplitude, b define o comprimento de onda.

Explorar

Ondas transversais e longitudinais

Alternne entre uma onda transversal (partículas sobem e descem, como água e luz) e uma longitudinal (partículas deslizam para frente e para trás, formando compressões, como som). A onda se move; as partículas ficam no lugar.

Explorar

Duas ondas sobrepostas

Altere a segunda onda. Onde as ondas se encontram elas somas — às vezes reforçando, às vezes cancelando.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
wave/weɪv/ 波 bō
energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng
ripple tank/ˈrɪpl tæŋk/ 波纹水槽 bō wén shuǐ cáo
wavefront/ˈweɪvfrʌnt/ 波前 bō qián
wavelength/ˈweɪvleŋθ/ 波长 bō cháng
frequency/ˈfriːkwənsi/ 频率 pín lǜ
crest/krest/ 波峰 bō fēng
peak/piːk/ 峰 fēng
trough/trɒf/ 波谷 bō gǔ
amplitude/ˈæmplɪtjuːd/ 振幅 zhèn fú
wave speed/weɪv spiːd/ 波速 bō sù
transverse wave/trænsˈvɜːs weɪv/ 横波 héng bō
propagation/ˌprɒpəˈɡeɪʃn/ 传播 chuán bō
longitudinal wave/ˌlɒŋɡɪˈtjuːdɪnl weɪv/ 纵波 zòng bō
reflection/rɪˈflekʃn/ 反射 fǎn shè
refraction/rɪˈfrækʃn/ 折射 zhé shè
diffraction/dɪˈfrækʃn/ 衍射 yǎn shè
light/laɪt/ 光 guāng
3.2

Luz 光

Programa

3.2.1 Reflexão da luz

Central Suplementar
1 Definir e usar os termos normal, ângulo de incidência e ângulo de reflexão
2 Descrever a formação de uma imagem óptica por um espelho plano e dar suas características, ou seja, mesmo tamanho, mesma distância do espelho, virtual
3 Enunciar que, para a reflexão, o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão; lembrar e usar essa relação 4 Usar construções simples, medições e cálculos para reflexão por espelhos planos

3.2.2 Refração da luz

Central Suplementar
1 Definir e usar os termos normal, ângulo de incidência e ângulo de refração
2 Descrever um experimento para mostrar a refração da luz por blocos transparentes de diferentes formas 6 Definir índice de refração, $n$, como a razão entre as velocidades de uma onda em duas regiões diferentes
3 Descrever a passagem da luz através de um material transparente (limitado às fronteiras entre dois meios apenas) 7 Lembrar e usar a equação
$$n = \frac{\sin i}{\sin r}$$
4 Enunciar o significado de ângulo crítico 8 Lembrar e usar a equação
$$n = \frac{1}{\sin c}$$
5 Descrever a reflexão interna e a reflexão total interna usando exemplos tanto experimentais quanto do cotidiano 9 Descrever o uso de fibras ópticas, especialmente em telecomunicações

3.2.3 Lentes finas

Central Suplementar
1 Descrever a ação de lentes finas convergentes e lentes finas divergentes sobre um feixe paralelo de luz
2 Definir e usar os termos distância focal, eixo principal e foco principal (ponto focal)
3 Desenhar e usar diagramas de raios para a formação de uma imagem real por uma lente convergente 6 Desenhar e usar diagramas de raios para a formação de uma imagem virtual por uma lente convergente
4 Descrever as características de uma imagem usando os termos aumentada/mesmo tamanho/diminuída, direita/invertida e real/virtual 7 Descrever o uso de uma única lente como lupa
5 Saber que uma imagem virtual é formada quando raios divergentes são extrapolados para trás e não forma uma projeção visível em uma tela
8 Descrever o uso de lentes convergentes e divergentes para corrigir a hipermetropia e a miopia

3.2.4 Dispersão da luz

Central Suplementar
1 Descrever a dispersão da luz ilustrada pela refração da luz branca por um prisma de vidro
2 Saber as sete cores tradicionais do espectro visível em ordem de frequência e em ordem de comprimento de onda 3 Lembrar que a luz visível de uma única frequência é descrita como monocrômatica

Fonte: Programa Cambridge International

Uma lente convergente forma uma imagem
Reflexão interna total

Reflexão

Quando a luz incide sobre um espelho, ela reflete. Medimos os ângulos a partir da normal 法线 (uma linha a 90° da superfície).

A lei da reflexão: o ângulo de incidência 入射角 é igual ao ângulo de reflexão 反射角.

Um espelho plano 平面镜 forma uma imagem do mesmo tamanho do objeto, à mesma distância atrás do espelho, e virtual (não pode ser capturada em uma tela).

Um raio incidente e um raio refletido encontrando-se em um espelho, com ângulos iguais de ambos os lados da normal
Num espelho plano, o ângulo de incidência $i$ é igual ao ângulo de reflexão $r$, ambos medidos a partir da normal

Refração

Quando a luz passa de um material para outro, ela muda de velocidade e desvia. O ângulo no segundo material é o ângulo de refração 折射角.

Um raio passando do ar para o vidro, curvando-se em direção à normal
Passando do ar para o vidro, a luz desacelera e desvia-se em direção à normal, então $i > r$

Observando a refração. Dirija um feixe estreito de uma lâmpada de raios 光线盒 para dentro de um bloco retangular de vidro apoiado em papel. Marque o raio que entra e o que sai, remova o bloco e ligue as marcas para desenhar o raio dentro do vidro. Desenhe a normal onde o raio entra e meça o ângulo de incidência e o ângulo de refração com um transferidor. Repita com um bloco semicircular ou prismático: o raio sempre se desvia em direção à normal ao entrar no vidro e se afasta da normal ao sair.

O índice de refração 折射率 $n$ compara a velocidade da luz nos dois materiais:

$$n = \frac{\sin i}{\sin r}$$

Exemplo resolvido. Um raio de luz passa do ar para o vidro. O ângulo de incidência é 60° e o ângulo de refração é 35°. Encontre o índice de refração do vidro. (Considere $\sin i = 0.87$ e $\sin r = 0.57$.)

$$n = \frac{\sin i}{\sin r} = \frac{0.87}{0.57} = 1.5$$

Quando a luz tenta sair do vidro ou da água e o ângulo é muito grande, ela não consegue sair e, em vez disso, reflete completamente. Isso é reflexão interna total 全反射. Isso ocorre quando o ângulo interno é maior que o ângulo crítico 临界角 $c$:

$$n = \frac{1}{\sin c}$$
Dois blocos de vidro: em um o raio refrata para fora, no outro ele é totalmente refletido internamente
Abaixo do ângulo crítico a luz refrata para fora; acima dele a luz é totalmente refletida internamente

Este efeito é usado em fibras ópticas 光纤, finos fios de vidro que transportam sinais de luz para telefones e internet.

Um feixe de fibras finas segurado em uma mão, cada uma brilhando intensamente em sua ponta em um ambiente escuro
A reflexão interna total mantém a luz saltitando ao longo de cada fibra até que ela brilhe na ponta

Lentes

Uma lente convergente 凸透镜 (gorda no meio) desvia raios paralelos para dentro até um ponto chamado foco principal 焦点. O eixo principal 主光轴 é a linha reta que passa pelo centro da lente perpendicularmente a ela; o foco principal jaz sobre este eixo. A distância do centro da lente ao foco principal é a distância focal 焦距. Uma lente divergente 凹透镜 (fina no meio) espalha raios paralelos, como se viessem de um foco no lado de entrada.

Raios paralelos passando por uma lente convergente e se encontrando no foco principal
Uma lente convergente desvia raios paralelos para se encontrar no foco principal; a distância focal $f$ é a distância da lente ao foco

Uma lente convergente pode formar uma imagem real 实像 (raios realmente se encontram; pode ser mostrada em uma tela) ou, quando o objeto está muito próximo, uma imagem virtual 虚像 (raios parecem apenas vir dela). Usada próxima ao olho, uma lente convergente é uma lupa 放大镜.

Descreva uma imagem com três pares de palavras: ampliada 放大的 ou reduzida 缩小的 (ou do mesmo tamanho), direita 正立 ou invertida 倒立 (de cabeça para baixo), e real ou virtual. Um objeto longe além do foco dá uma imagem reduzida, invertida e real (como em uma câmera). Um objeto entre o foco e a lente dá uma imagem ampliada, direita e virtual (uma lupa).

Correção da visão. Uma pessoa com miopia 近视 vê objetos próximos claramente, mas objetos distantes ficam desfocados: o olho foca a luz à frente da retina 视网膜 (parte traseira do olho). Uma lente divergente diante do olho espalha os raios primeiro, para que eles fociem na retina. Uma pessoa com hipermetropia 远视 vê objetos distantes claramente, mas objetos próximos ficam desfocados: o olho foca a luz atrás da retina. Uma lente convergente junta os raios um pouco antes de entrarem no olho.

Uma mão segurando uma lente convexa redonda, através da qual as casas ao fundo aparecem de cabeça para baixo
Segurada longe do olho, uma lente convergente forma uma imagem real – aqui as casas ao fundo aparecem de cabeça para baixo

Dispersão

Um prisma 棱镜 de vidro separa a luz branca nas cores do espectro 光谱. Essa separação é chamada de dispersão 色散.

Um prisma dividindo um feixe de luz branca num leque de cores do vermelho ao violeta
Um prisma refrata mais a luz violeta e menos a vermelha, então a luz branca se espalha em um espectro

A ordem das cores é vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil, violeta. A luz vermelha tem o maior comprimento de onda e a menor frequência; a violeta é o oposto. Luz de uma única frequência (uma cor pura) é monocromática 单色.

Um feixe estreito de luz branca entrando em um prisma de vidro e se expandindo em uma faixa brilhante de cores do arco-íris sobre um fundo preto
Luz branca entrando em um prisma de vidro real espalha-se em todo o espectro de cores
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Dobre um raio de luz

Ilumine luz em água, vidro ou diamante e alterne o ângulo. O raio desacelera e se curva em direção à normal — quanto mais denso o material (maior n), mais ele se curva. Essa curvura é por que um palito parece quebrado em um copo e por que diamantes brilham.

Explorar

Formação de imagem por uma lente convergente

Trace os três raios especiais vindos do objeto — onde eles se encontram é a imagem. Mova o objeto mais perto que o ponto focal para virá-lo em uma lupa.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
normal/ˈnɔːml/ 法线 fǎ xiàn
angle of incidence/ˈæŋɡl ɒv ˈɪnsɪdəns/ 入射角 rù shè jiǎo
angle of reflection/ˈæŋɡl ɒv rɪˈflekʃn/ 反射角 fǎn shè jiǎo
plane mirror/pleɪn ˈmɪrə/ 平面镜 píng miàn jìng
angle of refraction/ˈæŋɡl ɒv rɪˈfrækʃn/ 折射角 zhé shè jiǎo
ray box/reɪ bɒks/ 光线盒 guāng xiàn hé
refractive index/rɪˈfræktɪv ˈɪndeks/ 折射率 zhé shè lǜ
total internal reflection/ˈtəʊtl ɪnˈtɜːnl rɪˈflekʃn/ 全反射 quán fǎn shè
critical angle/ˈkrɪtɪkl ˈæŋɡl/ 临界角 lín jiè jiǎo
optical fibre/ˈɒptɪkl ˈfaɪbə/ 光纤 guāng xiān
converging lens/kənˈvɜːdʒɪŋ lenz/ 凸透镜 tū tòu jìng
principal focus/ˈprɪnsɪpl ˈfəʊkəs/ 焦点 jiāo diǎn
principal axis/ˈprɪnsɪpl ˈæksɪs/ 主光轴 zhǔ guāng zhóu
focal length/ˈfəʊkl leŋθ/ 焦距 jiāo jù
diverging lens/daɪˈvɜːdʒɪŋ lenz/ 凹透镜 āo tòu jìng
real image/rɪəl ˈɪmɪdʒ/ 实像 shí xiàng
virtual image/ˈvɜːtʃuːəl ˈɪmɪdʒ/ 虚像 xū xiàng
magnifying glass/ˈmæɡnɪfaɪɪŋ ɡlæs/ 放大镜 fàng dà jìng
enlarged/enˈlɑːdʒd/ 放大的 fàng dà de
diminished/dɪˈmɪnɪʃt/ 缩小的 suō xiǎo de
upright/ˈʌpraɪt/ 正立 zhèng lì
inverted/ɪnˈvɜːtɪd/ 倒立 dào lì
short-sightedness/ʃɔːt ˈsaɪtɪdnəs/ 近视 jìn shì
retina/ˈretɪnə/ 视网膜 shì wǎng mó
long-sightedness/lɒŋ ˈsaɪtɪdnəs/ 远视 yuǎn shì
prism/ˈprɪzəm/ 棱镜 léng jìng
dispersion/dɪˈspɜːʃn/ 色散 sè sàn
monochromatic/ˌmɒnəʊkrəʊˈmætɪk/ 单色 dān sè
electromagnetic spectrum/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ˈspektrəm/ 电磁波谱 diàn cí bō pǔ
vacuum/ˈvækjuːm/ 真空 zhēn kōng
radio waves/ˈreɪdɪəʊ weɪvz/ 无线电波 wú xiàn diàn bō
microwave/ˈmaɪkrəʊweɪv/ 微波 wēi bō
infrared/ˌɪnfrəˈred/ 红外线 hóng wài xiàn
3.3

Espectro eletromagnético 电磁波谱

Programa
Central Suplementar
1 Saber as principais regiões do espectro eletromagnético em ordem de frequência e em ordem de comprimento de onda
2 Saber que todas as ondas eletromagnéticas viajam à mesma alta velocidade no vácuo 6 Saber que a velocidade das ondas eletromagnéticas no vácuo é $3.0 \times 10^8\text{ m/s}$ e é aproximadamente a mesma no ar
3 Descrever usos típicos das diferentes regiões do espectro eletromagnético, incluindo: (a) ondas de rádio; transmissões de rádio e televisão, astronomia, identificação por radiofrequência (RFID) (b) micro-ondas; televisão via satélite, telefones celulares, micro-ondas (c) infravermelho; grelhas elétricas, comunicações de curto alcance como controles remotos para televisores, alarmes de intrusão, termografia, fibras ópticas (d) luz visível; visão, fotografia, iluminação (e) ultravioleta; marcação de segurança, detecção de notas falsas, esterilização de água (f) Raios-X; exames médicos, scanners de segurança (g) Raios gama; esterilização de alimentos e equipamentos médicos, detecção e tratamento do câncer
4 Descrever os efeitos nocivos às pessoas devido à exposição excessiva à radiação eletromagnética, incluindo: (a) micro-ondas; aquecimento interno das células do corpo (b) infravermelho; queimaduras na pele (c) ultravioleta; danos nas células superficiais e nos olhos, levando ao câncer de pele e condições oculares (d) Raios-X e raios gama; mutação ou dano às células do corpo
5 Saber que a comunicação com satélites artificiais ocorre principalmente por micro-ondas: (a) alguns telefones satelitais usam satélites orbitantes baixos (b) alguns telefones satelitais e televisão por transmissão direta via satélite usam satélites geoestacionários 7 Saber que muitos sistemas importantes de comunicação dependem de radiação eletromagnética, incluindo: (a) telefones celulares e internet sem fio usam micro-ondas porque as micro-ondas podem penetrar algumas paredes e exigem apenas uma antena curta para transmissão e recepção (b) Bluetooth usa ondas de rádio porque as ondas de rádio passam pelas paredes, mas o sinal é enfraquecido ao fazê-lo (c) fibras ópticas (luz visível ou infravermelha) são usadas para TV a cabo e banda larga de alta velocidade porque o vidro é transparente à luz visível e a algum infravermelho; a luz visível e o infravermelho de comprimento de onda curto podem transportar altas taxas de dados
8 Saber a diferença entre um sinal digital e analógico
9 Saber que um som pode ser transmitido como um sinal digital ou analógico
10 Explicar os benefícios da sinalização digital, incluindo aumento da taxa de transmissão de dados e aumento do alcance devido à regeneração precisa do sinal

Fonte: Programa Cambridge International

O espectro eletromagnético é uma família de ondas que todas viajam na mesma alta velocidade em um vácuo 真空, $3.0 \times 10^8\ \text{m/s}$. Em ordem do maior comprimento de onda (menor frequência) para o menor:

Região Uso típico Perigo por excesso
ondas de rádio 无线电波 sinais de rádio e TV, astronomia, tags RFID —
micro-ondas 微波 telefones celulares, TV via satélite, cozimento aquecimento de células corporais
infravermelho 红外线 controles remotos, imagens térmicas, grelhadeiras, fibras ópticas queimaduras na pele
luz visível visão, fotografia —
ultravioleta 紫外线 esterilização de água, verificação de notas bancárias câncer de pele, danos aos olhos
raios-X X射线 exames médicos e de segurança dano às células
raios gama 伽马射线 esterilização de equipamentos, tratamento de câncer mutação de células

À medida que passamos de ondas de rádio para raios gama, a frequência aumenta, o comprimento de onda diminui, e a energia (e o perigo) aumentam. A velocidade das ondas eletromagnéticas no ar é quase a mesma que no vácuo.

Satélites. A comunicação com satélites artificiais 人造卫星 usa principalmente micro-ondas, pois elas atravessam a atmosfera. Alguns telefones satelitais usam satélites em órbita baixa 低轨道, próximos à Terra. Outros telefones satelitais e a televisão por satélite de transmissão direta usam satélites em órbita geoestacionária 地球静止轨道, que permanecem acima do mesmo ponto na Terra.

Uma faixa colorida do espectro eletromagnético, das ondas de rádio aos raios gama
De ondas de rádio para raios gama, o comprimento de onda diminui enquanto a frequência e a energia aumentam

Sinais digitais e analógicos

Ondas de rádio e micro-ondas carregam informações como sinais, e um sinal pode ser analógico 模拟 ou digital 数字. Um sinal analógico varia continuamente e pode assumir qualquer valor; um sinal digital é uma sequência de apenas dois valores, ligado ou desligado (1 ou 0). O som pode ser enviado como qualquer um desses tipos de sinal: um microfone fornece um sinal analógico, que pode ser convertido em um digital.

A comunicação moderna prefere sinalização digital por duas razões que o exame pede:

  • uma taxa mais alta de transmissão de dados;
  • um alcance maior: um sinal digital fraco pode ser regenerado para limpo 1/0 exatamente, porque apenas dois níveis precisam ser distinguidos, então o ruído coletado ao longo do caminho é removido. Um sinal analógico não pode ser limpo dessa forma, então seu ruído se acumula.
Explorar

Deslize ao longo do espectro

Ondas de rádio, luz visível e raios gama são a mesma onda — apenas o comprimento de onda muda, e com ele a frequência, a energia do fotão e a aplicação quotidiana.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
spectrum/ˈspektrəm/ 光谱 guāng pǔ
ultraviolet/ˌʊltrəˈvaɪəlɪt/ 紫外线 zǐ wài xiàn
X-rays/eks reɪz/ X射线 X shè xiàn
gamma rays/ˈɡæmə reɪz/ 伽马射线 gā mǎ shè xiàn
artificial satellites/ˌɑːtɪˈfɪʃl ˈsætəlaɪts/ 人造卫星 rén zào wèi xīng
low orbit/ləʊ ˈɔːbɪt/ 低轨道 dī guǐ dào
geostationary orbit/ˌdʒiːəʊˈsteɪʃənəri ˈɔːbɪt/ 地球静止轨道 dì qiú jìng zhǐ guǐ dào
analogue/ˈænəlɒɡ/ 模拟 mó nǐ
digital/ˈdɪdʒɪtl/ 数字 shù zì
3.4

Som 声音

Programa
Central Suplementar
1 Descrever a produção de som por fontes vibrantes
2 Descrever a natureza longitudinal das ondas sonoras 10 Descrever compressão e rarefação
3 Enunciar a faixa aproximada de frequências audíveis pelos humanos como 20Hz a 20000Hz
4 Saber que um meio é necessário para transmitir ondas sonoras
5 Saber que a velocidade do som no ar é aproximadamente 330–350m/s 11 Saber que, em geral, o som viaja mais rápido em sólidos do que em líquidos e mais rápido em líquidos do que em gases
6 Descrever um método envolvendo a medição de distância e tempo para determinar a velocidade do som no ar
7 Descrever como as mudanças na amplitude e na frequência afetam o volume e o tonalidade das ondas sonoras
8 Descrever um eco como a reflexão de ondas sonoras
9 Definir ultrassom como som com uma frequência superior a 20kHz 12 Descrever os usos do ultrassom em testes não destrutivos de materiais, exames médicos de tecidos moles e sonar, incluindo o cálculo de profundidade ou distância a partir do tempo e da velocidade da onda

Fonte: Programa Cambridge International

Som é produzido por um objeto vibrante. É uma onda longitudinal: o ar é comprimido em uma compressão 压缩 (partículas próximas) e esticado em uma rarefação 稀疏 (partículas distantes).

  • O som precisa de um meio 介质 (um material) para viajar, portanto não pode se propagar no vácuo.
  • Os humanos podem ouvir frequências de aproximadamente $20\ \text{Hz}$ a $20\,000\ \text{Hz}$.
  • O som viaja muito mais devagar que a luz (cerca de $340\ \text{m/s}$ no ar), e mais rápido em líquidos e sólidos do que em gases.
  • Uma amplitude maior produz um som mais alto (maior volume 响度); uma frequência mais alta produz um tonalidade 音调 mais agudo. Portanto, os cliques rápidos de um golfinho são de tonalidade alta, e uma batida forte no tambor (grande vibração) é alta em volume.

Um som refletido é um eco 回声.

Medindo a velocidade do som. Dois alunos ficam a uma distância conhecida entre si, por exemplo 500 m, medidos com uma fita métrica ou roda medidora. Um bate dois blocos de madeira juntos. O outro inicia um cronômetro quando vê os blocos baterem e para quando ouve o barulho. A luz chega quase instantaneamente, então o tempo medido é o tempo que o som leva, e velocidade = distância ÷ tempo. Repita e tire a média para reduzir o erro de tempo de reação. O método do eco precisa de uma pessoa: aplaudir a uma distância conhecida de uma parede grande e cronometrar o som refletido, lembrando que o som vai e volta.

Exemplo resolvido. Um estudante está 85 m de uma parede grande e dá uma palma. O eco retorna 0.50 s depois. Encontre a velocidade do som.

O som viaja até a parede e volta, numa distância de $2 \times 85 = 170\ \text{m}$, em $0.50\ \text{s}$:

$$v = \frac{s}{t} = \frac{170}{0.50} = 340\ \text{m/s}$$

Ultra-som 超声波 é som acima de $20\,000\ \text{Hz}$ – muito alto para os humanos ouvirem. Seus usos dependem da reflexão: sonar mede a profundidade da água, exames médicos geram imagens de um bebê ou tecido mole, e inspeção sem destruição encontra rachaduras dentro de metais sem abri-los. Como um eco, um pulso de ultra-som viaja para lá e de volta, então divida a distância total pela metade para chegar ao objeto.

Exemplo resolvido. Um pulso de sonar retorna do fundo do mar $0.10\ \text{s}$ após ser enviado; o som viaja a $1500\ \text{m/s}$ na água. O pulso percorre $s = v\times t = 1500\times0.10 = 150\ \text{m}$ para lá e de volta, então o mar tem $150/2 = 75\ \text{m}$ de profundidade.

Um microfone converte vibrações sonoras no ar em um sinal elétrico
Um microfone converte vibrações sonoras no ar em um sinal elétrico
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Som

y = a sin(bt + c)

Mais alto = maior amplitude; tom mais agudo = maior frequência.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
sound/saʊnd/ 声音 shēng yīn
compression/kəmˈpreʃn/ 压缩 yā suō
rarefaction/ˌreərɪˈfækʃn/ 稀疏 xī shū
medium/ˈmiːdɪəm/ 介质 jiè zhì
loudness/ˈlaʊdnəs/ 响度 xiǎng dù
pitch/pɪtʃ/ 音调 yīn diào
echo/ˈekəʊ/ 回声 huí shēng
Ultrasound/ˌʊltrəˈsaʊnd/ 超声波 chāo shēng bō
3.4

Dicas de prova

  • Aprenda $v = f\lambda$ e esteja pronto para reorganizá-lo. Meça todos os ângulos de incidência, reflexão e refração a partir da normal (a linha a 90° à superfície), nunca a partir da própria superfície.
  • Ondas transversais vibram perpendicularmente à direção de propagação (luz, água); ondas longitudinais vibram paralelamente a ela (som). O som precisa de um meio, logo não pode atravessar um vácuo; a luz pode.
  • Reflexão interna total ocorre apenas quando a luz viaja de um material mais denso para um menos denso e o ângulo interno é maior que o ângulo crítico.
  • Saiba o espectro eletromagnético em ordem: rádio, micro-ondas, infravermelho, visível, ultravioleta, raios-X, gama. Todos viajam à mesma velocidade no vácuo; frequência e energia aumentam do rádio ao gama.
  • Ao entrar em um material mais denso (ar → vidro) a luz desacelera e se curva em direção à normal; ao sair dele (vidro → ar) a luz acelera e se curva afastando-se dela.

Aulas interativas sobre este tópico

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