Fenómenos ondulatórios

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1 Sumário UNIDADE TEMÁTICA Comunicação de informação a longas distâncias Propriedades das ondas. - Reflexão e refração de ondas. - Leis da reflexão e da refração. - Índice de refração de um meio. - Reflexão total da luz. Propriedades das ondas. Exercícios de aplicação do livro adotado, pág Fenómenos ondulatórios Quando uma onda incide numa superfície de separação entre dois meios óticos diferentes pode ocorrer reflexão, absorção ou refração (transmissão) dessa onda. 1

2 1- REFLEXÃO 2- REFRACÇÃO 3- ABSORÇÃO 4- REFLEXÃO TOTAL 5- DIFRACÇÃO. Fenómenos ondulatórios A energia de uma onda ao incidir na superfície de separação de dois meios, poderá sofrer: Reflexão Refracção ou Transmissão Absorção A repartição da energia reflectida, transmitida e absorvida depende: - da frequência da onda incidente; - da inclinação do feixe incidente; - das propriedades dos materiais (meios materiais onde se propaga a onda). Reflexão Quando uma onda incide numa superfície refletora que separa dois meios, as frentes de onda mudam de direção. Exemplos de superfícies refletoras. Espelho Água 2

3 Reflexão especular e reflexão difusa Um feixe incidente de raios paralelos origina um feixe refletido de raios paralelos. Um feixe incidente de raios paralelos origina um feixe refletido de raios em diferentes direções. Quando a reflexão especular predomina sobre a reflexão difusa, a onda refletida (luz ou som) tem maior intensidade pois o espalhamento das ondas é menor. Reflexão do som ECO - fenómeno que consiste em enviar uma onda de som contra um obstáculo, onde o som é refletido e regressando para o sítio de onde ele foi emitido. Para um ser humano distinguir dois sons diferentes, tem de haver um intervalo de tempo de pelo menos 0,1 s entre os dois sons. Assim, para haver ECO e uma pessoa distinguir entre o som enviado e o som recebido pela reflexão, tem de ter passado pelo menos 0,1 s entre a emissão do som e a receção do mesmo som refletido: Como a velocidade do som no ar é de 340 m/s, então o som tem de viajar: 340 m s d =? ,1 s d = 340 X 0,1 d = 34 m 3

4 Reflexão do som REVERBERAÇÃO - quando ocorre reflexão do som, mas as distâncias são inferiores às necessárias para que ocorra ECO. As reflexões sucessivas do som levam a um prolongamento do som. Para evitar a reverberação pode cobrir-se a sala com materiais que não permitam a reflexão dos sons, como tecidos, cortiça ou esferovite. Leis de reflexão Os fenómenos de reflexão e refração da luz podem ser estudados ignorando que a luz é uma onda. O modelo do raio luminoso serve de base à ótica geométrica. Determinar o percurso do raio luminoso consiste em resolver um problema de geometria (e é por isso que a ótica se diz geométrica). As ideias básicas da ótica geométrica são: Propagação retilínea da luz no vazio ou em meios homogéneos. Independência dos raios luminosos. (Um raio luminoso pode ser estudado independentemente dos outros raios, mesmo que se cruzem uns com os outros). Leis da Reflexão Leis de Snell-Descartes 1 O raio incidente numa superfície polida, a normal à superfície no ponto de incidência (n) e o raio refletido estão no mesmo plano; 2 O ângulo de incidência i, e o ângulo de reflexão r, são iguais. 4

5 Leis de reflexão Refração É A ALTERAÇÃO NA DIREÇÃO DE UMA ONDA AO PASSAR DE UM MEIO PARA OUTRO, DEVIDO À MUDANÇA DA SUA VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO. 5

6 Leis da Refração Leis da Refração Leis de Snell-Descartes Qual dos meios é mais denso? O raio refratado aproxima-se da normal ao passar de um meio menos denso para um meio mais denso, ou seja, de um meio menos refringente para um mais refringente. 1 O raio incidente (i) numa superfície de separação de dois meios óticos, a normal à superfície no ponto de incidência (n) e o raio refratado (r r ) estão no mesmo plano; 2 O ângulo de incidência, i, e o ângulo de refração, r, relacionam-se pela expressão: sin i sin r' n n onde n 1 e n 2 são os índices de refração dos meios 1 e Leis da Refração 6

7 Refração da luz Refração da luz 7

8 Refração da luz Índice de Refração Quando uma onda muda de meio, a sua velocidade de propagação altera-se. Podemos saber quanto se altera e que valor passa a ter essa velocidade usando o índice de refração. Por convenção, o índice de refração é sempre definido em relação a um outro meio ótico mais transparente, o vazio (n = 1). Este facto leva a que os valores de n sejam sempre superiores a 1. 8

9 Índice de Refração TABELA DE ÍNDICES DE REFRAÇÃO NO VIDRO PARA A LUZ VISÍVEL Índice de Refração Quanto maior for o índice de refração de um meio relativamente a outro, menor será o comprimento de onda e a velocidade de propagação nesse meio. Quando se muda de meio a frequência não se altera: Quando um meio tem um índice de refração maior do que outro, diz-se que esse meio é opticamente mais denso ou que é mais refringente. Por exemplo: a água é mais refringente do que o ar. 9

10 Índice de Refração (1) (2) 1. Quando a luz passa de um meio menos refringente para outro mais refringente, o raio refratado aproxima-se da normal. 2. Quando a luz passa de um meio mais refringente para outro menos refringente, o raio refratado afasta-se da normal. Índice de Refração - Exemplos 10

11 Dispersão da luz num prisma (Newton) Representação da experiência de Newton para obter o espectro da luz solar. Das radiações visíveis qual a que apresenta maior índice de refração? E a que apresenta maior velocidade? R. A luz violeta é a cor que apresenta maior índice de refração. Como o índice de refração é inversamente proporcional à velocidade, temos o vermelho como a cor de maior velocidade. Reflexão Total Quando o raio luminoso transita de um meio mais refringente (meio opticamente mais denso, o vidro, neste caso) para um menos refringente (menos denso, o ar, neste caso) e o ângulo de incidência é superior ao ângulo limite, acontece a reflexão total. O ângulo crítico ou ângulo limite, α lim, ou c, é o ângulo de incidência que dá origem a um ângulo de refração de /2, o que acontece quando n 2 > n 1 11

12 Reflexão Total O índice de refração de um meio pode ser determinado experimentalmente, medindo o ângulo crítico: n2 sin c n 1 ou sin c 1 n 1,2 Reflexão Total Considere-se um raio luminoso que passa de um meio opticamente mais denso para um meio opticamente menos denso, como o ar. 12

13 Reflexão Total da luz Podemos concluir: A reflexão total da luz, ocorre quando deixa de existir refração da luz. ocorre para ângulos de incidência superiores ao ângulo limite, cujo valor é dado por sin α lim = n 2 /n 1 quando a luz passa do meio 1 para o meio 2. só ocorre se a luz vier de um meio com maior índice de refração [mais refringente], por exemplo, da água [ou vidro] para o ar, ou seja, se n 1 > n 2. 13

14 Fibras óticas O fenómeno de reflexão total da luz, quando esta incide sobre uma superfície com um ângulo acima do ângulo crítico, está na base do funcionamento das fibras óticas, uma poderosa tecnologia de comunicação, criada em meados do século XX. Fibras óticas 14

15 Difração EM QUE CONSISTE A DIFRAÇÃO? A difração é um fenómeno ondulatório que se verifica quando uma onda contorna obstáculos ou orifícios se as dimensões destes forem da ordem de grandeza do comprimento de onda da onda. O som difrata-se facilmente porque, o som possui l suficientemente grandes para sofrerem uma curvatura provocada pelos obstáculos; já a luz, por possuir pequeníssimos comprimentos de onda, passa através dos orifícios sem grande dificuldade, difratando-se muito pouco. Diz-se que a luz se propaga em linha reta. Difração 15

16 Difração Bandas de radiofrequência A rádio, a televisão, os telemóveis, os controlos remotos, os telefones sem fios, o GPS, etc. usam gamas distintas de frequência da onda portadora (diferentes larguras de banda), consoante as suas propriedades e o fim a que se destinam. 16

17 Bandas de radiofrequência A radiação eletromagnética de frequência superior a Hz tem poder ionizante o que significa que, ao penetrar na matéria, pode ionizar átomos e moléculas. Com as radiações eletromagnéticas de frequências inferiores isso não acontece. As comunicações utilizam frequências desde o quilohertz (~10 3 Hz) até às centenas de giga hertz (~10 11 Hz), ou seja, radiações que não ionizam a matéria. É por isso que podemos «conviver» com a radiação emitida pelas antenas de televisão, de telemóveis, etc. sem grandes riscos para a nossa saúde.??? Bandas de radiofrequência Porque razão certos aparelhos usam umas frequências e não outras? As emissoras de rádio utilizam frequências baixas porque as ondas de baixa frequência têm maior comprimento de onda e, portanto, são as que melhor difratam, contornando facilmente obstáculos e chegando às antenas recetoras mesmo que estas não estejam em linha de vista. 17

18 Bandas de radiofrequência Por outro lado, as ondas de rádio são pouco absorvidas no ar e podem ser refletidas na ionosfera, sendo então reenviadas para Terra. Ao sofrerem múltiplas reflexões na superfície terrestre, propagam-se a grandes distâncias. Bandas de radiofrequência Os comandos remotos de TV e ar condicionado, por exemplo, usam luz infravermelha ( GHz) cujo comprimento de onda é muito pequeno para difratar nos objetos com que lidamos diariamente. Os infravermelhos refletem-se facilmente, o que torna possível ligar a televisão ou gravador apontando o comando para o teto ou parede. 18

19 Bandas de radiofrequência As ondas entre 3 GHz e 300 GHz (micro-ondas) são usadas nas comunicações e propagam-se quase em linha reta, pelo que as antenas transmissora e recetora têm de estar colocadas à vista uma da outra. É o caso na comunicação por satélite, pois utilizam-se frequências da ordem dos giga hertz, que são pouco absorvidas ou refletidas na atmosfera. Bandas de radiofrequência 19

20 Bandas de radiofrequência Bandas de radiofrequência 20

21 Bandas de radiofrequência Exercícios Exercício 1: Exercício 2: Exercício 3: 1- a) r = 41,5 1 b) r = 39,1 2- r = 32,1 3- n = 1,33 21

22 TPC 1. Fazer exercícios do livro, página 204 e seguintes. 22

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