Comunicação de informação a longas distâncias

Transcrição

1 APSA Fenómenos ondulatórios Questão 1: Considere as seguintes superfícies onde incide a luz: espelho, parede, vidro muito polido, folha de papel. Indique em qual predomina a reflexão especular e a reflexão difusa. R: No espelho e no vidro polido predomina a reflexão especular. Na parede e na folha de papel predomina a reflexão difusa. 1

2 Questão 2: Um ecrã de cinema deve ser rugoso ou polido? Porquê? R: Rugoso. A luz tem de ser refletida em todas as direções... caso contrário só alguns espectadores vertem o filme! Questão 3: Um som é produzido numa sala cujas paredes são metálicas e polidas e noutra sala cujas paredes são forradas a alcatifa. Haverá diferença entre o som escutado em cada uma das salas? R: Na sala com paredes metálicas o som sofre múltiplas reflexões o que dá origem a reverberação, porque o som é pouco absorvido. Com a alcatifa há mais absorção do som e menos reflexão, pelo que os sons ouvidos são menos intensos. 2

3 Questão 4: Num dia de sol, uma pessoa vê a montra de uma loja cujo vidro está muito limpo. Além de ver o vidro, vê as pessoas que estão no interior da loja, vê a sua imagem no próprio vidro e, quando lhe toca, sente o vidro quente. Que fenómenos óticos explicam o que essa pessoa vê ou sente? R: A pessoa vê a montra, de diversos sítios, devido à reflexão difusa da luz. Vê a sua própria imagem no vidro polido devido à reflexão especular da luz. Vê as pessoas no interior da loja porque a luz foi transmitida através do vidro, sofrendo refração. Sente o vidro quente porque ele absorve luz. Questão 5: O sonar e o radar baseiam o seu funcionamento num mesmo princípio. Explique-o e diga qual é a principal diferença entre os dois sistemas. R: O princípio é o mesmo: reflexão das ondas. No caso do radar, ondas eletromagnéticas emitidas refletem-se num corpo, sendo as ondas refletidas detetadas por um recetor junto do emissor. O tempo que decorre entre a emissão e a receção permite saber a distância ao objeto que refletiu a onda, pois é conhecida a velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas no ar. No sonar utilizam-se ondas sonoras (geralmente ultrasons), sendo necessário saber a velocidade de propagação da onda sonora no meio. 3

4 Questão 6: Quais das seguintes afirmações são verdadeiras? A. O som é absorvido de igual forma por todos os materiais. B. A absorção de luz por um material transparente é igual, independentemente da frequência dessa luz. C. Um vidro espesso absorve de igual modo luz azul que um vidro, do mesmo material, mas menos espesso. D. Um meio transparente transmite menos luz que um meio opaco. E. Os fenómenos de reflexão, absorção e transmissão só se observam para a luz e não para o som. F. O vidro absorve quase toda a luz ultravioleta mas é transparente para a luz visível. R: F Questão 7: Observe a figura: três raios de luz incidem paralelamente numa superfície rugosa. Os raios refletidos estarão igualmente paralelos? Justifique. Quais são os respetivos ângulos de reflexão? R: Não. Como a superfície não é plana, cada raio incidente faz um ângulo diferente com a direção normal à superfície no ponto de incidência. Uma das leis da reflexão impõe que o ângulo de incidência seja igual ao de reflexão. Os ângulos indicados na figura são ângulos de incidência, e portanto os ângulos de reflexão são 15, 31 e 47 4

5 Questão 8: Uma dada luz incide sobre um vidro que cobre uma estufa. a) Que fenómenos óticos se dão? Algum deles predominará sobre os outros? b) Por que será que a estufa aquece? R: a) Reflexão e refração. A reflexão é especular e difusa. A refração dá-se primeiro no interface ar-vidro e depois no interface vidro-ar. A luz penetra no interior da estufa depois desta segunda refração. Dependendo do material que cobre a estufa pode haver predominância de um fenómeno ótico sobre o outro mas, à partida, não se pode afirmar qual predomina. b) A luz, uma vez no interior da estufa, interage com a matéria no seu interior, sendo absorvida e reemitida. A luz reemitida tem muitas vezes comprimentos de onda que o vidro que cobre a estufa não transmite. Portanto, pode armazenar mais energia por radiação do que a que pode perder por refração, o que leva ao aquecimento do interior da estufa. Questão 9: O índice de refração de um material (assinale a(s) opção(ões) correta(s)): A. Não depende da velocidade da luz nesse material. B. É diretamente proporcional à velocidade da luz nesse material. C. É inversamente proporcional à velocidade da luz nesse material. D. Depende do comprimento de onda da luz incidente. E. É igual para todo o tipo de luz incidente. R: C e D 5

6 Questão 10: Quanto maior for o índice de refração de um meio para onde a luz se propaga vinda de outro meio (assinale a(s) opção(ões) correta(s)): A. maior será a velocidade de propagação da luz nesse meio. B. menor será a velocidade de propagação da luz nesse meio. C. maior será o ângulo de refração. D. menor será o ângulo de refração. R: B e D Questão 11: Um feixe de luz amarela incide sobre um dado material e transmite-se com uma velocidade que é 3/4 da velocidade que tem no vácuo. Qual é o índice de refração desse meio para aquela luz? R: 1,33 c n v c n 3 c 4 4 1,33 3 6

7 Questão 12: A velocidade de um feixe de luz vermelha num dado meio é 2,76 x 10 8 m/s. Qual é o índice de refração desse meio para a referida luz? Esse meio será muito diferente do ar? Justifique. R: 1,09 c n v n 2, ,09 Do ponto de vista ótico este meio não é muito diferente do ar, n ar = 1,0003 Questão 13: 13.1 Um feixe laser (luz monocromática) propaga-se no ar e incide sobre a água, sendo uma parte do feixe refletida, outra parte absorvida e outra parte refratada. A luz refletida tem (assinale as opções corretas): A. menor frequência e menor B. igual frequência e menor C. igual frequência e igual D. igual comprimento de onda, igual frequência e igual E. maior comprimento de onda, igual frequência e menor F. menor comprimento de onda, menor frequência e menor G. menor intensidade que a luz incidente. H. maior intensidade que a luz incidente. R: C, D e G 7

8 Questão 13: 13.2 A luz refratada tem (assinale as opções corretas): A. menor frequência e menor B. igual frequência e menor C. igual frequência e igual D. igual comprimento de onda, igual frequência e igual E. menor comprimento de onda, igual frequência e menor F. maior comprimento de onda, igual frequência e menor G. menor comprimento de onda, menor frequência e menor H. menor intensidade que a luz incidente. I. maior intensidade que a luz incidente. R: B, E (em ambos os casos se n do 2º meio for superior ao do 1º meio) H (há sempre fenómenos de reflexão e absorção em simultâneo com o de refração). Questão 14: Uma luz monocromática propaga-se de um meio A cujo índice de refração é 1,2 para um meio B cujo índice de refração é 1,4. O feixe incide segundo um ângulo que faz 27 com a normal na superfície de separação dos meios A velocidade de propagação da luz aumentará ou diminuirá quando passa do meio A para o meio B? Justifique O que acontecerá à frequência da luz quando passa do meio A para o meio B? E ao seu comprimento de onda? O feixe de luz aproximar-se-á ou afastar-se-á da normal quando passa do meio A para o meio B? Calcule o ângulo que a luz refratada faz com a normal na superfície de separação. R: Aproxima-se; r = 22,9º 8

9 Questão 15: Uma luz vermelha incide sobre um prisma de vidro (n = 1,513) fazendo 23 com a normal à superfície de separação Qual é o ângulo de reflexão? E o ângulo de refração? Onde é maior a velocidade da luz vermelha, no ar ou no vidro? Justifique. R: r = 15º No ar, porque o índice de refração é menor (é igual a 1) do que no vidro, e a velocidade e o índice de refração são inversamente proporcionais. Questão 16: Quando a luz visível atravessa um prisma é decomposta nas suas várias luzes monocromáticas, formando uma faixa colorida que é o arco-íris. a) A que se deve esse facto? b) Os índices de refração da luz vermelha e da luz violeta no vidro são, respetivamente, 1,513 e 1,532. Qual delas sofre maior desvio ao passar do ar para o vidro? A que é devido esse facto? R: a) A cada frequência presente no feixe incidente corresponde um índice de refração e a diferentes índices de refração correspondem diferentes desvios. b) A luz violeta, pois corresponde-lhe um maior índice de refração e uma menor velocidade. 1 / 2 = v 1 /v 2 = n 2 /n 1 9

10 Questão 17: Uma onda passa do meio 1, onde se propaga com velocidade de módulo 1000 m s -1, para o meio 2 como mostra a figura Que fenómeno está representado na figura? Qual é o valor do ângulo de reflexão? Onde será maior a velocidade da onda, no meio 1 ou no meio 2? Justifique sem cálculos Qual é a velocidade da onda no meio 2? A frequência da onda alterar-se-á na passagem do meio 1 para o meio 2? Qual é o comprimento de onda no meio 2, sabendo que no meio 1 é de 5 cm? Poderá ocorrer o fenómeno de reflexão total quando a onda passa do meio 1 para o meio 2? E quando passa do meio 2 para o meio 1? Justifique Refração º É maior no meio 1 porque o raio refratado aproxima-se da normal v 2 = 816,5 m/s a) Não. A frequência é sempre a mesma e igual à da fonte que produziu a onda = 0,041 m Não. A reflexão total só pode ocorrer quando a onda passa de um meio mais refringente (maior índice de refração) para um menos refringente (menor índice de refração). Pode, pois, haver reflexão total quando a onda passa do meio 2 para o meio 1. 10

11 Questão 18: Um feixe de luz propaga-se num meio A e atinge a superfície de separação com um meio B, sofrendo reflexão total. Assinale as afirmações corretas. A. O índice de refração de A é maior do que o índice de refração de B. B. O índice de refração de B é maior do que o índice de refração de A. C. A velocidade de propagação da luz é maior em A do que em B. D. A velocidade de propagação da luz é maior em B do que em A. E. O ângulo de incidência é menor do que o ângulo limite. F. O ângulo de incidência é maior do que o ângulo limite. G. O ângulo de incidência é igual ao ângulo limite. R: A; D e F Questão 19: Um vidro tem índice de refração 1,4. Qual é o ângulo de incidência máximo, quando a luz passa do vidro para o ar, de modo que a luz não seja devolvida novamente para o vidro? R: î lim = 45,6º 11

12 Questão 20: Uma fibra ótica é feita de sílica, cujo índice de refração é 1,44 para uma dada luz laser Qual é a velocidade dessa luz quando se propaga pela fibra ótica? Uma pessoa está a falar numa estação de televisão, sendo o transporte de informação feito através de fibras óticas. Ao fim de quanto tempo é ouvida num lugar que recebe a informação após a luz percorrer 300 km na fibra ótica? R: v = 2,083 x 10 8 m/s Δt = 1,44 x 10-3 s Questão 21: As miragens são causadas pela reflexão total da luz por camadas de ar junto ao solo com diferentes temperaturas. A figura mostra um modelo simplificado do fenómeno: o ar junto ao chão é mais quente e, por isso, o índice de refração é menor. Suponha um ângulo de incidência de 84,00 e n 1 = 1, Qual é o valor máximo de n 2 para que a miragem seja vista? Na camada junto ao solo a velocidade de propagação da luz será maior ou menor? Qual dos gráficos, A, B ou C, representa a variação da velocidade de propagação com o índice de refração da camada de ar? R: n 2 = 1, Maior, porque o índice de refração é menor Gráfico A, porque são inversamente proporcionais pois, n.v = c 12

13 Questão 22: Observe a figura seguinte: um feixe de luz laser incide na água num ponto A com um ângulo de incidência de 60. Ao encontrar o fundo da tina, que é espelhado, reflete-se e volta a emergir da água num ponto B afastado 60 cm de A. A profundidade da água é 40 cm. A velocidade de propagação da luz diminui quando passa do ar para a água Determine o ângulo de refração da luz ao entrar na água Qual é o índice de refração para esta luz na água? R: 22.1 α = 36,9º 22.2 n 2 = 1,44 Questão 23: Uma onda propaga-se num tanque de água e encontra um orifício, tal como mostra a figura. As setas indicam a direção de propagação da onda. O meio de propagação nas regiões I e II é o mesmo. Qual das seguintes afirmações é falsa? A. O fenómeno que ocorre é a reflexão da onda. B. O fenómeno que ocorre é a difração da onda. C. A velocidade da onda não se alterou. D. O comprimento da onda não se alterou. E. A frequência da onda não se alterou. R: A 13