4Parte OBJETIVO GERAL. Parte I Preparação da atividade laboratorial

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1 Relatórios as ativiaes laboratoriais AL 2.2 VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO DO SOM OBJETIVO GERAL Determinar a velociae e propagação e um sinal sonoro. a realização a ativiae laboratorial proposta irá permitir eterminar experimentalmente, através e um métoo simples, a velociae o som no ar. Um sinal sonoro resulta a vibração e partículas e um meio mecânico. estas vibrações, resultantes a transferência e energia às partículas que se encontram em reor a fonte sonora, vão ser transmitias às partículas vizinhas e assim sucessivamente. a velociae e uma ona sonora é constante, quano esta se propaga num meio homogéneo, e é tanto maior quanto menor é a compressibiliae o meio. ao propagar-se no ar, resulta uma ona longituinal que se forma por sucessivas compressões e rarefações o meio (variações e pressão). Usa-se a meição o esfasamento no tempo e ois sinais elétricos registaos no ecrã e um osciloscópio. esse esfasamento corresponerá ao intervalo e tempo entre a emissão o sinal sonoro por um altifalante e a sua eteção por um microfone, após percorrer uma istância conhecia. Parte I Preparação a ativiae laboratorial O que é preciso saber 1 Selecione a opção que completa corretamente a frase seguinte. Um sinal sonoro [ ] e um meio material para se propagar, seno as onas sonoras [ ] nos gases. A. [ ] necessita [ ] transversais. B. [ ] não necessita [ ] transversais. C. [ ] não necessita [ ] longituinais. D. [ ] necessita [ ] longituinais. Opção D. 2 Por que razão se iz que uma ona sonora é uma ona e pressão? Quano um sinal sonoro se propaga no ar, resulta uma ona longituinal que se forma por sucessivas compressões e rarefações o meio. As compressões o meio são zonas com maior número e partículas, por uniae e volume, e a pressão é maior o que a pressão atmosférica. As rarefações o meio são zonas com menor número e partículas, por uniae e volume, e a pressão é menor o que a pressão atmosférica. Há variações perióicas e pressão no tempo e no espaço. A ona sonora é uma ona e pressão. 3 Explique como poe eterminar a velociae o som, quano este se propaga num meio homogéneo. A velociae o som num meio homogéneo é constante e o móulo a sua componente escalar na ireção e propagação (intensiae) poe ser eterminao pela expressão matemática v = D t, seno a istância percorria pela ona sonora e Dt o intervalo e tempo que a ona sonora leva a percorrer essa istância. 270

2 4 A velociae o som poe também ser eterminaa pela expressão v = T m. Explique a utilização esta expressão no cálculo a velociae o som. Quano a ona sonora é geraa por uma fonte perióica, forma-se uma ona perióica. A perioiciae a ona no espaço é caracterizaa pelo comprimento e ona, m, e a perioiciae temporal é caracterizaa pelo períoo, T. Durante um períoo (Dt = T), uma ona propaga-se a uma istância igual ao comprimento e ona ( = m). Assim, a intensiae a velociae, v = D t, para uma ona perióica, poe ser escrita como: v = m T 5 A compressibiliae (capaciae e o volume ocupao variar em função a pressão) e a ensiae (relação entre a massa e o volume que ocupa) são características intrínsecas o meio e efinem a velociae com que uma ona sonora se propaga. No entanto, estas características são influenciaas por iversos fatores, como a temperatura, a humiae e eventuais alterações o meio. 5.1 a geração e uma ona requer um meio elástico. Porquê? A geração e uma ona mecânica requer um meio constituío por partículas que possa ser perturbao (meio elástico). Um meio elástico é aquele que sofreno a eformação sob a ação e uma força retoma a sua forma quano a mesma eixa e atuar (sob a ação a perturbação a posição relativa os seus pontos materiais altera-se, mas quano essa perturbação cessa, retomam à posição relativa inicial). 5.2 Sabeno que a compressibiliae os sólios não porosos é menor o que a os líquios e que a os líquios é menor o que a os gases, estabeleça a relação entre a velociae o som nos sólios, líquios e gases. A intensiae a velociae o som é tanto maior quanto menor é a compressibiliae o meio. Em geral, a velociae é maior nos sólios não porosos o que nos líquios e, por sua vez, maior o que nos gases. Pela mesma orem e ieias, é maior nos líquios o que nos gases. 5.3 O gráfico seguinte representa a intensiae a velociae o som no ar, em função a temperatura, para valores e pressão e 1 atm. Pela análise o gráfico, que conclusão poe retirar a variação a velociae o som no ar com a temperatura? Relatórios as ativiaes laboratoriais v/m s v = 0,5947i + 331, ,0-10,0-5,0 0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 it/ºc A intensiae a velociae o som aumenta linearmente com o aumento a temperatura. 271

3 Relatórios as ativiaes laboratoriais Refletir e construir o proceimento experimental Na figura está esquematizaa a montagem que representa um os métoos utilizaos para eterminar experimentalmente a velociae o som no ar, na qual se utiliza um osciloscópio, um microfone, um tubo flexível, um geraor e sinais, um altifalante e fios e ligação. Começa-se por ligar o geraor e sinais para prouzir um sinal elétrico, cuja saía é ligaa ao osciloscópio, para visualizar o sinal no ecrã o osciloscópio. De seguia, liga-se o altifalante ao geraor e sinais e o microfone ao osciloscópio. Colocam-se o microfone e o altifalante nas extremiaes e um tubo flexível e comprimento conhecio. No ecrã o osciloscópio são visualizaos ois sinais elétricos esfasaos no tempo, a partir os quais se mee o intervalo e tempo que o sinal sonoro emorou a percorrer o interior o tubo. É efetuaa a meição e o registo o valor a temperatura ambiente. 1 Explique por que razão no ecrã o osciloscópio são visualizaos ois sinais elétricos esfasaos (atrasaos) no tempo. Um os sinais elétricos é o sinal prouzio pelo geraor e sinais que está ligao iretamente ao osciloscópio. O outro sinal resulta a transformação o sinal sonoro em sinal elétrico (sinal prouzio pelo geraor e sinais, convertio em sinal sonoro pelo altifalante e captao pelo microfone). O esfasamento temporal que se observa no osciloscópio entre os ois sinais correspone ao intervalo e tempo que o sinal sonoro emora a percorrer a istância entre o altifalante e o microfone e a ser registao como sinal elétrico no osciloscópio. 2 Deve ser ligao um altifalante ao geraor e sinais? Justifique a sua resposta. Sim. Deve ser ligao um altifalante ao geraor e sinais para que seja possível transformar o sinal elétrico, prouzio no geraor e sinais, em sinal sonoro. 3 Por que razão se liga o microfone ao osciloscópio? O microfone está ligao ao osciloscópio para transformar o sinal sonoro (sinal prouzio pelo geraor e sinais e convertio em sinal sonoro pelo altifalante) num sinal elétrico. 4 Nesta experiência, utiliza-se um tubo flexível e comprimento conhecio. Qual é a sua função? A função o tubo é confinar a ona sonora no espaço, irigino o som emitio pelo altifalante até ao microfone. Ao meir o comprimento o tubo, sabe-se a istância percorria pela ona sonora, corresponente ao intervalo e tempo meio no osciloscópio (esfasamento temporal observao). 5 Para eterminar a velociae o som por este métoo, utiliza-se a expressão: v = 5.1 Como se poe meir a istância representaa pela letra? A istância representaa pela letra correspone ao comprimento o tubo, por conseguinte, eve-se proceer à sua meição. Dt 272

4 5.2 explique como se poe obter o intervalo e tempo, Dt. O intervalo e tempo, Dt, correspone ao intervalo e tempo que o sinal emitio pelo altifalante emora a percorrer o tubo até ser captao pelo microfone. O seu valor é meio no osciloscópio e correspone ao esfasamento temporal entre os ois sinais, visualizaos no ecrã o osciloscópio. Parte II Execução a ativiae laboratorial Material utilizao no proceimento experimental Osciloscópio Microfone Tubo e plástico flexível Geraor e sinais Altifalante Termómetro Fita métrica Relatórios as ativiaes laboratoriais Execução o proceimento experimental Execute a experiência seguino a metoologia escrita anteriormente. Faça o registo as meições as granezas físicas necessárias ao cálculo a velociae e propagação o som ( e Dt). tenha em atenção os algarismos significativos a elas associaos. Meça e efetue o registo o valor a temperatura ambiente. Tenha em atenção a escala os aparelhos e meia e conceba uma tabela e registo e aos e forma a sistematizar a informação relevante (graneza física; menor ivisão a escala; igital/analógico; incerteza absoluta e leitura). SUGESTÃO: Deve ser usao um sinal quarao e baixa frequência, uma vez que permite visualizar com maior faciliae o sinal captao pelo microfone e torna mais fácil ajustar os tempos no osciloscópio. NOTA: em alternativa, elabore o seu próprio proceimento experimental, representano a montagem através e um esquema. Poem, aina, ser usaos computaores com software e eição e som, ou outros sistemas e aquisição automática e aos. Tabela 1 Caracterização os instrumentos e meia APARELhOS DE MEDIDA termómetro Fita métrica Graneza física Menor ivisão e leitura/uniae Digital/analógico temperatura 0,1 C Digital Comprimento 1 mm analógico Incerteza absoluta e leitura/uniae!0,1 C!0,5 mm (1) as leituras o ecrã o osciloscópio são efetuaas em ivisões e epenem a velociae e varrimento. (2) a incerteza e caa meia será sempre igual a um écimo a ivisão (! 0,1 DIV). Osciloscópio tempo 0,2 ms (1) analógico/digital!0,1 ms (2) Tabela 2 registo as meições iretas para eterminação a velociae o som no ar i! 0,1/ C Dt! 1 # 10-4 /s! 0,0005/m v/m s -1 23,5 8,3 # ,

5 Relatórios as ativiaes laboratoriais Parte III Análise e iscussão a ativiae laboratorial 1 Calcule o valor experimental a velociae o som e apresente-o com a incerteza relativa expressa em percentagem. Distância percorria (comprimento o tubo): = (2,8500! 0,0005) m Intervalo e tempo (esfasamento): Dt = (8,3 # 10-3! 0,1 # 10-3 ) s Para calcular a intensiae a velociae o som: v = Dt 2, 8500 v = 3 83, # 10 - v b 3,4 # 10 2 m s -1 2 Consulte o gráfico a velociae o som no ar em função a temperatura a questão 5.3 a página anterior. 2.1 Utilizano a equação a reta, etermine o valor tabelao para a velociae o som, à temperatura a que realizou a experiência. A equação a reta é: v = 0,5947i + 331,48 (m s -1 ) A temperatura a que se realizou a experiência é i = 23,5 C, logo: v = 0,5947 # 23, ,48 v b 345 m s -1 O valor teórico o som no ar, à temperatura e 23,5 C, é 345 m s Determine o erro percentual associao à eterminação experimental o valor a velociae o som no ar, por este métoo, e conclua quanto à sua exatião. v teórica,i = 23,5 = 345 m s -1 v experimental,i = 23,5 = 3,4 # 10 2 m s , # 10 2 e r = 345 O erro percentual e exatião é e 1,4 %. # 100 = 1,4 % Teno em linha e conta o erro percentual (1,4 %), verifica-se um elevao grau e concorância entre o valor meio experimentalmente (3,4 # 10 2 m s -1 ) e o valor esperao (345 m s -1 ). 3 Ientifique os erros experimentais que permitem justificar a exatião o resultao. Meir uma graneza implica, através a intercalação entre o operaor e o fenómeno físico em estuo, uma metoologia e instrumentos e meia. Deste moo, poem afetar a exatião o resultao: O métoo utilizao para a eterminação o valor a velociae o som; O operaor (por exemplo, ificulae na leitura os valores meios no osciloscópio evio à sobreposição e ruío); A calibração os aparelhos e meia: osciloscópio, termómetro e fita métrica. Com um erro percentual e exatião e 1,4 %, infere-se que o métoo utilizao foi aequao. Os erros sistemáticos, associaos ao métoo, em que a maior ificulae ecorre a leitura os valores meios no osciloscópio, não comprometeram a exatião. 4 Após a realização a experiência e o tratamento os aos, partilhe, com os outros grupos, as suas conclusões. SUGESTÃO: Avalie o resultao experimental obtio, confrontano-o com as previsões teóricas. 274

6 Parte IV Saber + Como seria se numa conversa os sons graves, aguos, fortes e fracos se propagassem a velociaes iferentes? Certamente esta tornar-se-ia incompreensível! E o mesmo aconteceria numa orquestra sinfónica, se os instrumentos, prouzino simultaneamente sons e forma iferente, não fossem ouvios ao mesmo tempo. Justifique como sons com características iferentes se propagam com velociaes iguais. Uma vez que a velociae e propagação o som emitio não epene e sua frequência ou a sua intensiae, quer os sons sejam graves ou aguos, ou sejam fortes ou fracos, estes propagam-se com velociaes iguais. A velociae e propagação o som epene o meio em que ele se propaga e a temperatura a que esse meio se encontra. Relatórios as ativiaes laboratoriais 275