FÍSICA CIÊNCIAS NATURAIS E SUAS TECNOLOGIAS SETOR III

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1 ÍSI IÊNIS NTURIS E SUS TENGIS SETR III ENEM0

2 Módulo onceitos básicos de Óptica uz gente físico que sensibiliza nossos órgãos isuais. 6.. Refração. ontes de luz. Primárias (corpos luminosos).. Secundárias (corpos iluminados) 3. Meios ópticos (quanto à transparência) Transparentes Translúcidos pacos 4. elocidade da luz No ácuo: c = m/s 5. no-luz ano-luz 9,5 0 5 m 6. enômenos ópticos básicos 6. R e fl e x ã o I. Regular ar água 6.3. bsorção bs. Reflexão seletia (cor dos corpos) luz branca corpo branco reflete todas luz branca corpo negro absore todas Superfície bem polida luz branca reflete somente azul II. Irregular corpo azul Superfície irregular Módulo. Princípios da Óptica Geométrica Propagação retilínea Em um meio transparente, homogêneo e isotrópico, a luz se propaga em linha reta.. Reersibilidade caminho percorrido por um raio de luz entre dois pontos quaisquer é único, independentemente do sentido. Enem e estibular Dose Dupla 50

3 3. Independência aso haja cruzamento entre dois ou mais raios de luz, estes seguirão seus caminhos como se nada tiesse acontecido. 4. plicação de propagação retilínea da luz Sombras na superfície da Terra Raios solares praticamente paralelos PD-09- ãmara escura de orifício Eclipses lunar e solar bjeto Imagem Órbita da ua Órbita da Terra ua Terra ua B Sol : eclipse solar total B: eclipse solar parcial : eclipse lunar Módulo 3. Espelhos planos (I) eis da reflexão.. bjeto extenso RI N RR i r a ) raio incidente (RI), o raio refletido (RR) e a reta normal (N) são coplanares. a ) s ângulos de incidência (i) e de reflexão (r) são iguais. i = r bs. Enantiomorfismo: B Enem e estibular Dose Dupla 5

4 . ormação de imagens em espelhos planos. bjeto pontual r i bjeto x x Imagem 3. ampo isual de espelhos ampo isual Módulo 4. Espelhos planos (II) ssociação de espelhos planos. Translação de espelhos planos E I 0 bjeto Imagem E d D I I 3 360º n = a D = d 3. Rotação de espelhos N i i N E i i E b = a Enem e estibular Dose Dupla 5

5 Módulo 5 Espelhos esféricos (I) Elementos básicos alota esférica 3. Raios notáeis a) Espelho côncao Esfera R R B Eixo principal Eixo secundário : centro de curatura do espelho : értice do espelho R: raio de curatura a: ângulo de abertura bs.: condições de estigmatismo de Gauss: ângulo a pequeno (a 0 ) raios paraxiais (em nosso estudo espelhos gaussianos) 3 4. oco do espelho Ponto no qual se forma a imagem de um objeto que se encontra no infinito. Pela reersibilidade da luz, para um objeto no foco, a imagem é formada no infinito. b) Espelho conexo Espelho côncao Eixo principal oco principal real 4 Espelho conexo Eixo principal bs.: distância focal f oco principal irtual R = 3 bs:. para se determinar a imagem do ponto objeto, conjugada por um espelho esférico, basta traçar dois raios de luz, dentre os notáeis, e determinar o ponto de encontro após a reflexão. Enem e estibular Dose Dupla 53

6 Módulo 6 Espelhos esféricos (II) Imagens (construção gráfica das imagens de objetos reais) Espelho côncao I. bjeto sobre o foco I. bjeto antes do centro B B' ' B real Imagem inertida menor II. bjeto sobre o centro () imprópria Imagem ( ). bjeto entre o foco e o értice ' B B' B B' ' real Imagem inertida "igual" III. bjeto entre o centro e o foco irtual Imagem direita maior bs.: as imagens reais podem ser projetadas.. Espelho conexo B' B ' B B' ' real Imagem inertida maior bjeto em qualquer posição diante do espelho irtual Imagem direita menor Enem e estibular Dose Dupla 54

7 Módulo 7 Espelhos esféricos (III) Estudo analítico i I o p f: distância focal p: distância do objeto ao espelho p : distância da imagem ao espelho o: altura do objeto i: altura da imagem Equação de Gauss (equação dos pontos conjugados) = + ou, ainda, f f p p p' f pp = p+ p produto soma umento linear i = p o = p onenção de sinais Elementos (,, I) Distância (f, p, p ) Real + irtual Elementos (, I) ltura (o, i) Direita + Inertida bs.: referencial de Gauss: na erdade, f, p, p, o e i são coordenadas (de posição) e não distâncias, por isso os sinais. uz Eixo das abscissas (f, p e p') Eixo das ordenadas (o e i) Eixo principal Módulo 8 eis da refração Refração (mudança de meio óptico) bs.: o que caracteriza um meio óptico é a elocidade que a luz possui nele. \ na refração, ocorre mudança de elocidade. RI N n n. Índice de refração Meio Meio I n n S a) bsoluto (nmei ) c ( ) n 8 MEI = c= 3 0 m/s noácuo MEI RR Enem e estibular Dose Dupla 55

8 MEI c nmei bs. : R c n R ) raio incidente (RI), o raio refratado (RR) e a reta normal (N) são coplanares. ) s ângulos ( q ) e (q ) relacionam-se entre si por: b) Relatio (n, ) n sen q = n sen q (ei de Snell-Descartes) n n n = n = = n n,, bs.: raios incidentes normais à superfície não sofrem desio. refração ocorre juntamente com uma reflexão. 3. eis da refração N Reflexão RI N n < n > Meio Meio I n n S Meio Meio S Refração RR Módulo 9 Ângulo-limite e reflexão total ondições básicas para ocorrer reflexão total ) luz dee estar se propagando de um meio p para outro n refringente. ) ângulo de incidência dee superar um determinado ângulo-limite (i > ). onte n n 4 i > Reflexão total Raio "limite" 3 n > n Snell: n sen = n sen 90º n n sen = = n n menor maior Enem e estibular Dose Dupla 56

9 Módulo 0 Dioptros planos bserador i p p r Água p n n S r Água n n S i p bserador Para ângulos de incidência pequenos : p' n' p n p': distância da imagem ao dioptro p: distância do objeto ao dioptro n' (meio em que se encontra o obserador) n (meio em que se encontra o objeto) Módulo âmina de faces paralelas Meio óptico limitado por duas faces planas e paralelas Deslocamento lateral (d) Meio Meio i r e e sen i r d = ( ) cos r bs. No caso de o meio 3 não ser igual ao meio, os raios, incidente e emergente, não são paralelos. Meio i d Dioptro Meio Meio Dioptro Meio 3 Enem e estibular Dose Dupla 57

10 Módulo Prismas Meio óptico limitado por duas faces planas e não paralelas.. Desio mínimo(dmín. ) corre quando i = i. Desio angular (D) i r i i r r r D (i r) mín. D i D 3. Dispersão luminosa r i r D = i + i : ângulo de abertura ou de refringência uz branca ermelha ioleta = r + r Módulo 3 entes esféricas: propriedades Nomenclatura e comportamento óptico Perfis e nomenclatura n lente > n meio omportamento óptico n lente < n meio Bordas finas (conexas) R R Biconexa Plano-conexa ôncao-conexa onergente Diergente Bordas grossas (côncaas) R Bicôncaa Plano-côncaa onexo-côncaa R Diergente onergente. Representação entes conergentes entes diergentes 0 0 i i i i 0 0 : centro óptico 0: foco objeto; i: foco imagem 0: antiprincipal objeto; i: antiprincipal imagem Enem e estibular Dose Dupla 58

11 Módulo 4 entes esféricas: imagens Raios notáeis a) ente conergente b) ente diergente o o i i i i o o 4 4 o o 3 o o i i i i 3. Imagens (construção gráfica das imagens de objetos reais) a) ente conergente I. bjeto antes do antiprincipal objeto III. bjeto entre o antiprincipal objeto e o foco objeto i i i i o o o o imagem real inertida menor imagem real inertida maior II. bjeto sobre o antiprincipal objeto I. bjeto sobre o foco objeto o o i i o o i i imagem real inertida "igual" imprópria imagem () Enem e estibular Dose Dupla 59

12 . bjeto entre o foco objeto e o centro óptico b) ente diergente: objeto em qualquer posição dian- te da lente o o o o i i i i imagem irtual direita maior irtual imagem direita menor bs. s imagens reais podem ser projetadas. Módulo 5 entes esféricas: equações Estudo analítico eja o exemplo a seguir: o p f o o i i f: distância focal p: distância do objeto à lente p : distância da imagem à lente o: altura do objeto i: altura da imagem a) Equação de Gauss (equação dos pontos conjugados): = + ou, ainda, f f p p p p p = p+ p produto soma i b) c) umento linear: i = p o = p ergência ou conergência da lente: f: metro( m) : dioptria( di ) = dioptria = " grau" f di = = m m onenção de sinais Elemento (,, I) Real + irtual Distância (f, p, p ) Elemento (, I) ltura (o, i) + Enem e estibular Dose Dupla 60

13 Módulo 6 entes esféricas: equação dos fabricantes Equação dos fabricantes de lentes. Justaposição de lentes Do exemplo: R R + = n lente = = f n R + R meio onenção de sinais ace Raio (R) onexa + ôncaa Plana eq = + = + f f f eq bs. Numa associação de lentes, sem justaposição, dee-se notar que a imagem fornecida pela primeira lente se torna objeto para a segunda lente. Módulo 7 Óptica da isão lho emetrope (olho normal) Ponto remoto (PR) : infinito Ponto próximo (PP): 5 cm bjeto () bjeto 5 cm. metropias principais a) Miopia b) Hipermetropia bjeto () Imagem Imagem bjeto PRM 5 cm lente = f = p + p = + PRM lente = PRM PPH lente = f = p + p = + 05, PPH lente = 4 PPH c) Presbiopia (ista cansada) correção tal qual a de hipermetropia. d) stigmatismo correção com lentes cilíndricas. Enem e estibular Dose Dupla 6

14 Módulo 8 Introdução às ondas nda Propagação de uma perturbação atraés de um meio. bs. Numa onda, há o transporte de energia sem o transporte de matéria.. lassificação das ondas. Quanto à natureza a) ndas mecânicas: ndas que precisam de um meio material para se propagarem. b) ndas eletromagnéticas: Não precisam de um meio material para sua propagação. bs. Espectro eletromagnético: ndas de rádio e T Micro-ondas Raios infraermelhos uz isíel Raios y Raios ultraioleta Raios X requência (Hz).. Quanto à propagação a) ndas unidimensionais: propagação em uma linha. b) ndas bidimensionais: propagação em um plano. c) ndas tridimensionais: propagação no espaço..3. Quanto à ibração a) nda transersal: ibração Propagação b) Propagação ibração nda longitudinal: ibração Propagação Propagação ibração Módulo 9 Equação fundamental da ndulatória onte rista 4. omprimento de onda ( l) Distância percorrida em ciclo de onda 5. elocidade da onda () ale = l f (Equação fundamental da ondulatória) aracterísticas básicas Período (T) Tempo gasto em ciclo de onda. requência (f) Importante elocidade de uma onda só depende do meio de propagação. bseração Representação de ondas bidimensionais: onte rente de onda nº ciclos f f t T Importante Período e frequência só dependem da fonte. 3. mplitude () Elongação máxima na oscilação Raio de onda Enem e estibular Dose Dupla 6

15 Módulo 0 ndas: reflexão, refração, difração e interferência Reflexão onda retorna ao meio de origem e sua elocidade se mantém constante.. ndas unidimensionais (refração de pulsos em cordas) ndas unidimensionais (reflexão de pulsos em cordas) a) Da corda menos densa para a mais densa a) Extremidade fixa (corre inersão de fase.) b) Da corda mais densa para a menos densa b) Extremidade lire (Não ocorre inersão de fase.).. ndas bidimensionais (também álido para tridimensionais) RR RI N Enem e estibular Dose Dupla 63

16 X X ísica a lei: RI, RR e N são coplanares.. ndas bidimensionais (também álido para tridimensionais) a lei: n sen q = n sen q e, consequentemente: Rl RR 3. sen sen Difração ontorno de fendas e/ou obstáculos rente de onda esférica produzida pela difração N rente de onda incidente a lei: RI, RR e N são coplanares. a lei: i = r = q. Refração onda muda de meio de propagação. Daí, ocorre mudança de elocidade. a Eixo de simetria Módulo ndas: interferência ndas unidimensionais (superposição de pulsos) a) Interferência construtia (I) b) Interferência destrutia (ID) P P = P I.. P ID P P. ndas bidimensionais (também álido para tridimensionais) inhas de interferência destrutia inhas de interferência construtia Enem e estibular Dose Dupla 64

17 Diferença de percurso Dx = x x Dx = N l ontes em fase N par I Módulo ndas sonoras Qualidades fisiológicas do som ltura (associada à frequência do som) Sons altos (agudos) frequências altas Sons baixos (graes) frequências baixas bs. aixa de frequências: 0 Infrassons 0 Sons audíeis Ultrassons f (Hz). Intensidade (I) (associada à ampli tude da onda) Sons fortes amplitudes altas Sons fracos amplitudes baixas P I = Unidade (I): W á rea m (SI) imite de audibilidade: I 0 = 0 W/m Níel sonoro (N) N I = 0 log I 0, dado em decibéis 3. Timbre (associado à forma da onda depende da fonte sonora) aracterística que permite distinguir dois sons de mesma altura e mesma intensidade, emitidos por instrumentos diferentes.. Persistência auditia interalo mínimo de recepção entre dois sons, necessário para que o ouido humano possa distingui-los, é de 0, s. Reforço: Dt 0 Reerberação: 0 < Dt < 0, s Eco: Dt > 0, s Módulo 3 ndas estacionárias e cordas ibrantes ndas estacionárias Resultantes da superposição de duas ondas iguais que se propagam em sentidos opostos, em um mesmo meio. N N N N 4a 4a 4a 4a N / /4 / uso Enem e estibular Dose Dupla 65

18 Módulo 4 Tubos sonoros Tubos abertos l f = l o modo de ibração l o l modo de ibração 3 o l modo de ibração f n n = f n = n f (n =,, 3,...) n-ésimo modo de ibração n l n n. Tubos fechados l f = l o modo de ibração 4 l o l 4 modo de ibração o l 4 modo de ibração f n n = 4 f n = n f (n =, 3, 5,...) n-ésimo modo de ibração (n ímpar) n l 4 4 n n 4 Enem e estibular Dose Dupla 66

19 Módulo 5 Efeito Doppler frequência de uma onda só depende da fonte emissora e é, portanto, constante. Porém, se houer moimento relatio entre fonte e obserador, este perceberá a onda com uma frequência diferente da real. Esse fenômeno é chamado de efeito Doppler. bs. bs. frequência aparente (f ap ) é dada por: f ap 0 f f 0 frequência real da onda elocidade da onda elocidade do obserador elocidade da fonte bs.: conenção de sinais obserador fonte + Módulo 6 Moimento harmônico simples (I) Definição oscilatório periódico MHS conseratio mantido por uma força restauradora bs.: o MHS pode ser estudado como a projeção de um MU. 3. unção horária da elocidade MU R MU = MHS 0 MHS x MU q = q 0 + w t MU MHS q (rad) Deslocamento angular ase w (rad/s) elocidade angular Pulsação ou frequência angular MU = w R = w MHS = MU sen q = w sen(q 0 + w t) bs.: máx. = w 4. unção horária da aceleração. unção horária da posição (ou elongação) a MU R = P R MU = MHS 0 a MHS R MU = MHS 0 P x a MHS = a MU cos q amu = a = w a = w cos(q 0 + w t) x = cos q x = cos (q 0 + w t) bs.: a máx. = w e a = w x Enem e estibular Dose Dupla 67

20 Módulo 7 Moimento harmônico simples (II) Energia cinética (Ec ) m Ec = E c 0 E c E c 0 máx. E p E máx. E p 0 p máx Energia potencial (Ep ) x k x Ep = 3. Energia mecânica (Em ) E E m = E c + E p = cte. k extremos Em = EP = máx. E = E + E = cte. m c p m equilíbrio E máx. m = E = máx. E = E = E k = m P máx. máx. 0 + E p E c x Módulo 8 Sistemas periódicos Sistema massa-mola. Pêndulo simples T = p m k 5º T = p g m: massa do corpo k: constante elástica da mola Módulo 9 nálise dimensional Grandezas básicas : comprimento do fio g: aceleração da graidade Grandeza Equação dimensional Unidade SI Massa M kg omprimento m Tempo T s Temperatura q K orrente elétrica I Enem e estibular Dose Dupla 68

21 Enem e estibular Dose Dupla 69