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Neste documento, aprenda sobre ondas, pulsos, comprimento de onda, frequência, amplitude, refração e a lei de snell-descartes. Explore ondas periódicas, ondas refletadas e refratadas, e compreenda as propriedades e características de ondas sonoras e ondas eletromagnéticas. Experimente o fenômeno da refração e diferencie sons fortes de sons fracos.
O que você vai aprender
Tipologia: Notas de estudo
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"' FISICA "' ONDULA TORIA
PARA O ENSINO MÉDIO
Aluno: André Luiz Corrêa de Araujo Orientador: Marcos Binderly Gaspar (IFIUFRJ)
Dezembro de 1999
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Com a atual proposta nacional para o ensino médio (diretrizes curriculares - MEC/SEMTEC), os conteúdos de fisica devem estar voltados para o dia-a-dia do aluno, contribuindo para a formação de uma cultura científica que permita ao aluno interpretar fatos, fenômenos e processos naturais. É necessário também que a fisica trabalhe na compreensão básica do funcionamento de equipamentos que cercam o cotidiano doméstico , social e profissional do aluno, ao contrário de hoje, onde o ensino de fisica se reduz a leis e fórmulas , de forma desarticulada e cada vez mais distante da realidade, com poucos significados e exemplos concretos. A escola deve ser capaz de ajudar o aluno a exercer plenamente a sua cidadania, excluindo de uma vez por toda a chamada cidadania ausente. O cidadão é o indivíduo capaz de leitura crítica da sociedade em que vive; inserido no processo sócio- econômico- político e cultural da sociedade, como elemento participante e interveniente do processo histórico e transformador dessa sociedade. A cidadania passa necessariamente, pela escolaridade, pois conhecimentos, valores e comportamentos socialmente privilegiados têm, na escola, espaço de socialização, preparando o aluno para inserção ao mundo do trabaiho.I''A TEORIA NA PRÁTICA É OUTRA" ,DEMARION VILLAS BOAS SÁ REGO)
o tema desse trabalho de tanta importância para a formação científica de um cidadão é pouco abordado por professores do ensino médio de algumas escolas do estado do Rio de Janeiro, que por vários motivos não trabalham com informações da fisica ondulatória, haja visto que existem variações de uma escola para outra, no que se refere à carga horária e prioridades no programa do ensino de fisica. Normalmente as informações passadas pelas escolas que trabalham o referido assunto são de caráter introdutório e superficial, sem muito significado, e que pouco se relacionam com a modernidade em que vive o aluno. Trabalharemos com as idéias principais da fisica ondulatória, que é uma das responsáveis por esse mundo moderno e evolutivo que vivemos ,não esquecendo da sua complexidade. Com isso trabalharemos mais próximo da realidade do aluno, pois o conhecimento fisico, atualmente transmitido, se distancia cada vez mais da tecnologia, onde o aluno ao invés de adquirir uma educação científica ,aprende cada vez mais " apertar o botão".
Para entendê-lo devemos organizar uma seqüência crescente de dificuldade, onde primeiramente trabalharemos com os conceitos de pulsos, ondas periódicas, comprimento de onda, freqüência, amplitude e a equação fundamental das ondas, de uma forma geral, sem formalismo e sem muitos detalhes. Depois trabalharemos os fenômenos ondulatórios como: a reflexão, a refração, a interferência, a ressonância e a difração, também de forma geral (para qualquer tipo de onda). Desta forma, se pretende desenvolver passo a passo, os conhecimentos cuidadosamente trabalhados, a fim de se obter uma preparação para o estudo das ondas sonoras (acústica) e ondas eletromagnéticas (luz), mais freqüentes no dia- a-dia dos alunos. Serão abordadas as características principais desses tipos de ondas com seus fenômenos, de forma significativa e real, com sugestões experimentais, sem muita matemática, nem exercícios repetitivos, que nessa etapa do aprendizado pouco somam , levando a uma memorização e não à construção do conhecimento através de competências adquiridas. Dessa forma se espera obter um melhor aproveitamento ,onde um aprendizado de fisica, útil à vida do aluno, se processe mais facilmente, respeitando uma seqüência crescente de aprendizado, como o já proposto por PIAGET, .. em que o conhecimento é alcançado por experiências passadas e acumuladas de forma crescente (CONSTRUTIVISMO),pois se constrói na interação do sujeito com o objeto. Na medida que o sujeito interage com o objeto ,o objeto age sobe o sujeito , com isso o sujeito vai produzindo sua capacidade de conhecer e gradativamente vai produzindo também o seu próprio conhecimento. PIAGET organizou os estágios do desenvolvimento, vejamos como ele afirmava as necessidades para houvesse esses estágios: Para que haja estágios é necessário primeiramente que a ordem de sucessão das aquisições seja constante, não a cronologia mas a ordem de sucessão. Podemos caracterizar os estágios numa população dada por uma cronologia , mas essa cronologia é extremamente variável ; ela depende da experiência anterior dos indivíduos e não somente de sua maturação e depende principalmente do meio social que pode alterar ou retardar o aparecimento de um estágio, ou impedir sua manifestação. (PIAGET,1978,p.235) O CONSTRUTIVISMO E A EDUCAÇÃO, SÉRGIO ROBERTO KIELING FRANCO, Medição editora, 1995.
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Figura 1 Pulso em uma corda
Com isso podemos dizer que quem caminhou ao longo da corda, transportando energia de um ponto para outro, foi urna perturbação e não a matéria, perturbação esta, que faz a corda se deslocar para um lado e para o outro, não havendo deslocamento do trecho inicial da corda até a caixa.
A perturbação produzida em um meio, tirando-o de urna situação de equilíbrio( não há perturbação), que se desloca transportando energia é denominada de pulso e uma seqüência de pulsos recebe o nome de onda. Quando uma sucessão de pulsos( uma onda) se repete a cada intervalo de tempo de
palavra onda estará sempre relacionada à onda periódica, que mais adiante veremos.
OBJETIVOS: Mostrar que uma onda transporta somente energia e que não há transporte de matéria na propagação da onda.
MATERIAL: Urna corda, uma caixa de fósforo e uma caneta piloto ou pincel atômico. PROCEDIMENTOS:
i) Marque na corda porções enumeradas de 1 a 10 com a caneta ou pincel atômico. ii) Estique a corda já enumerada sobre o chão da sala e coloque a caixa de fósforo sobre a mesma. iii) Produzir um "vaivém" na parte numero 1 da corda conforme a figura. iv) Responda: O que se propagou ao longo da corda? O número 1 caminhou ao longo da corda? Justifique! v) Dê outros exemplos de situações que se relacionam com a atividade?
Figura 2 Pulso, transporte de energia
Um exemplo é quando uma pedra cai na superficie de um lago e produz uma perturbacão, ela desloca certo volume de água, ocorre simultaneamente um deslocamento lateral e um vertical (fig.3a), a porção que se projeta acima do nível normal do lago tende a descer, mas quando atinge o nível normal ultrapassa-o devido à inércia, deslocando uma nova porção de água ao seu redor (fig. 3b). Assim, uma oscilação mecânica vai se propagando pela superficie do lago. (fig. 3c).
Figura 3 Pedra que cai em um lago
Direção da vibração Natureza da vibração Liberdade para propagação.
aij'Fransversal -e-quando a direção da vibração é perpendicular à direção em que se propaga a onda.
Figura 5 Onda com direção de vibração transversal
aii) Longhudinal-equando a direção de vibração é a mesma na qual se propaga a onda
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Figura 6 Onda com direção de vibração longitudinal
bi)Mecânicas~ Ocorre transporte de vibrações mecânicas, onde as partículas materiais vibram. Ex. Ondas em cordas, na superficie dos líquidos, nos sólidos (terremotos), etc.
bii)Eletromagnética~ Corresponde a variação no campo elétrico e no campo magnético, originadas por cargas elétricas oscilantes. Ex. Ondas de rádio, microondas, luz visível, raios X, etc.
Ci)Propagações unidimensíonais-e- o deslocamento da onda se dá sobre uma linha. Ex: ondas em uma corda
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superfície
Figura 7 plano perpendicular à superficie
Uma onda sofre reflexão quando ao atingir a fronteira entre dois meios, retoma ao meio original, ou seja, muda a sua direção de propagação. A onda refletida tem a mesma velocidade da onda incidente, mantém a freqüência
No mesmo plano, a medida do ângulo de reflexão r é igual a do ângulo de incidência i, conforme a figura 8.
Reta normal
frentes de onda incidentes
frentes de onda refletidas
Figura 8 Reflexão de uma onda
As frentes de onda mencionadas na figura na figura 8 correspondem a pontos da onda separados por um comprimento de onda(À), ou seja, as frentes de ondas podem ser cristas, vales ou qualquer outros pontos da onda, desde que estejam sempre separados por um comprimento da onda. (veja a figura 4). É comum associar as frentes de onda às cristas, onde o deslocamento da onda é máximo.
Uma onda sofre refração quando ultrapassa a fronteira de separação entre dois meios de propagação, passando então a se propagar no outro meio com outra velocidade. A onda refratada se propaga com outra velocidade e a freqüência (f) é a mesma nos dois meios, com isso o comprimento de onda (À) também mudará, como foi mencionado acima, pois a refração das ondas obedece a lei:
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MATERIAL: Duas cordas de diferentes densidades, uma fina e leve e a outra grossa e pesada. PROCEDIMENTOS: i)Unir as diferentes cordas como na figura. ii) Prenda uma das extremidades ou peça para um colega segurar firmemente. iii) Emita um pulso transversal e observe o que acontece quando o pulso passa de um corda para outra. iv) Inverta a corda, emitindo um outro pulso, agora partindo da corda anteriormente presa e anote as observações.
Figura 10 Refração de uma onda na corda
OBJETIVO: Visualizar a propagação de uma onda na água e observar os fenômenos da refração e da reflexão. MATERIAL: Uma cuba de vidro (ou pirex) de tamanho grande, uma lâmpada de 100W, uma régua e uma lâmina de vidro de espessura 5 mm que ocupe metade de todo o fundo da cuba. PROCEDIMENTOS: i) Monte o pirex com a lâmpada colocada em baixo, de forma que as ondas sejam observadas no teto de uma sala escura quando projetadas, conforme a figura 11. ii) Coloque mais ou menos 1 em de água no pirex. iii) Com a régua ,produza ondas planas conforme a figura 12 e anote o observado. iv) Coloque uma lâmina de vidro ocupando uma das metades da cuba, e produza novamente ondas planas com a régua, partindo da extremidade mais funda. Houve alguma mudança com a colocação da lâmina de vidro? Explique.
v) Repita o item anterior, agora produzindo ondas da parte rasa para a parte funda, anote e explique o observado. vi) Coloque a lâmina de vidro perpendicularmente ao fundo do pirex, posicionada aproximadamente sobre a diagonal principal do pirex e produza novamente as mesmas ondas planas com régua, anote e explique o que acontece quando essas ondas planas incidem sobre a lâmina de vidro, formando um ângulo "i "com a reta normal à lâmina de vidro.
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Figura 11 Pirex com água e uma lâmpada Figura 12 Produção de ondas planas
Ocorre quando uma onda encontra uma fenda ou um obstáculo, consegue contomá- 10 e então chegar a regiões que não seriam atingidas caso apresentasse apenas propagação retilínea. Uma pessoa que fala com uma outra pessoa ,estando em cômodos diferentes, conseguem se comunicar (fig 13a), caso contrário não haveria comunicação(fig 13b)
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Figura 13 Difração de ondas
A interferência pode ser construtiva, ocorre quando o pulso resultante for maior que cada um individualmente ou destrutiva, quando os pulsos tem polaridades opostas, onde o pulso resultante é a diferença entre os pulsos originais.
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Dois pulsos de polaridades opostas caminhando um para o outro (fig.16a). Há um momento em que eles são simétricos em relação a posição de equilíbrio da corda (fig.16b) e logo depois eles reaparecem, continuando com suas formas originais, como se nada tivesse acontecido( fig 16c).
SUGESTÃO 05: OBJETIVO: O aluno observará a propagação, a reflexão e a interferência de um pulso transversal para então dar continuidade a compreensão do estudo ondulatório. MATERIAL: Uma corda de mais ou menos 3 metros. PROCEDIMENTOS: i) Segure uma das extremidades da corda e peça a um colega que segure firmemente na outra extremidade (conforme a figura 17).. ii) Emita um pulso transversal e observe o que acontece no outro extremo. iii) Emita um pulso transversal, idêntico ao anterior, e antes do primeiro chegar a extremidade, emita um segundo pulso, com as mesmas características. iv) Observe atentamente o que ocorre durante o encontro desses pulsos, e também o que ocorre após o encontro.
Figura 17 Pulso em uma corda ,sugestão experimental
Ocorre ressonância quando transferimos energia para um sistema oscilante, de forma que a freqüência do "motor"(fornecedor de energia) coincida com a freqüência do sistema oscilante. Por exemplo: uma ponte como a Rio-Niterói balança devido ao fenômeno da ressonância, onde o vento funciona como um "motor"(fornecedor de energia) e a oscilação da ponte coincide com a freqüência de fornecimento de energia do vento, caso não existisse o amortecimento, as oscilações teriam amplitudes cada vez maiores, até a estrutura da ponte não suportar e se romper. Ao ocorrer a ressonância, há uma transferência contínua de energia da fonte para o sistema oscilante, cuja amplitude de oscilação vai aumentando até o instante em que a energia fornecida for equivalente a energia dissipada por eventuais amortecimentos.
Exemplo: Quando empurramos uma criança num balanço, e ela vai cada vez mais alto, estamos transferindo energia na mesma freqüência que o balanço oscila e sempre que o balanço completa uma oscilação, nós o empurramos novamente. Não há um aumento exagerado da altura atingida pelo balanço devido aos amortecimentos, podendo ser o atrito com o ar ou na fixação do mesmo. Imagine se nós o empurrássemos em outra freqüência ou quando o balanço estivesse vindo em sua direção, sem ter efetuado uma oscilação completa.
