ESCOLA BÁSICA E SECUNDÁRIA DE VILA FRANCA DO CAMPO ANO LETIVO Módulo I Som e Luz MARILIA CARMEN DA SILVA SOARES APONTAMENTOS
O SOM O som resulta da vibração dos corpos. Para que possamos ouvir o som produzido por uma fonte sonora é necessário um meio de propagação e um recetor (os nossos ouvidos). Qualquer corpo que vibra produz um som: é uma fonte sonora. O som propaga-se desde a fonte até aos nossos ouvidos através de um meio material. Os nossos ouvidos são recetores do som. As ondas resultam da propagação de vibrações através de um meio. As ondas sonoras são ondas mecânicas e, como tal, necessitam de um meio material para se propagarem; assim, propagam-se através de meios gasosos, líquidos e sólidos, e não se propagam no vazio. As ondas sonoras são ondas longitudinais. Nas ondas longitudinais, as vibrações ocorrem paralelamente à direção de propagação. Nas ondas transversais, as vibrações ocorrem perpendicularmente à direção de propagação. 2
A cada som corresponde uma vibração específica, que pode ser caracterizada pela frequência (f), pela amplitude (A), pelo período (T) e pelo comprimento de onda (). O tempo que demora a dar uma vibração completa designa-se por período (T) e a unidade no SI é o segundo (s). O número de vibrações por segundo chama-se frequência (f) e a unidade no SI é o hertz (Hz ou s-1). Se o período de oscilação (T) for pequeno, então, a frequência (f) com que ocorre a oscilação é grande. Se o período de oscilação (T) for grande, então, a frequência (f) com que ocorre a oscilação é pequena. Assim, é possível encontrar uma relação entre essas duas grandezas. Diz-se que são inversamente proporcionais. T= 1/f ou f = 1/T. A velocidade de propagação do som calcula-se dividindo a distância a que se propaga pelo tempo necessário: V = f comprimento de onda (m) f frequência (Hz ou s-1) V velocidade (m/s) O som propaga-se mais rapidamente nos sólidos que nos líquidos e mais rapidamente nos líquidos que nos gases. v som sólidos > v som líquidos > v som gasosos A velocidade de propagação do som não depende das características da onda sonora, ou seja, qualquer som se propaga num determinado meio à mesma velocidade. 3
O ouvido humano consegue detetar sons com frequências compreendidas entre 20 e 20 000 Hz. O espectro sonoro é constituído pelos sons audíveis (entre 20 e 20 000 Hz), ultra-sons (acima de 20 000 Hz) e infra-sons (abaixo de 20 Hz), ou seja, abrange um conjunto de sons audíveis e inaudíveis pelo ser humano. Os sonómetros medem a intensidade sonora, ou seja, o nível sonoro, geralmente em decibel (db). Há um nível mínimo que o ouvido humano deteta limiar de audição e um nível sonoro máximo que pode suportar limiar de dor. A exposição mais ou menos prolongada a sons de grande intensidade pode provocar danos irreparáveis ao ouvido humano. 4
REFLEXÃO, ABSORÇÃO E REFRAÇÃO DO SOM Quando as ondas sonoras, que se propagam num determinado meio, encontram uma superfície podem: ser refletidas, ou seja, voltar para trás reflexão do som. ser absorvidas, ou seja, deixar de se propagar. ser refratadas, ou seja, passar a propagar-se noutro meio refração do som. ser difratadas, ou seja, contornar um obstáculo difração do som. REFLEXÃO Superfícies lisas e duras refletem bem o som. Superfícies rugosas absorvem bem o som. O eco a ressonância e a reverberação são efeitos sonoros devidos à reflexão do som numa superfície. O eco consiste em ouvir a repetição de um som emitido e é uma consequência da reflexão do som. Para que seja possível distinguir o eco é necessário que o obstáculo esteja a, pelo, menos, 17 m do emissor e que a superfície refletora seja suficientemente grande para que a reflexão seja total. Porque podem as salas ter má acústica? Quando uma fonte produz um som, ele chega-nos ao ouvido em instantes diferentes, conforme se é um som direto ou se sofreu uma ou mais reflexões. O som percecionado pelo ouvido resulta da sobreposição dos sons direto e dos sons refletidos. Por isso, depois de um som ter sido produzido há um intervalo de tempo em que ele continua a ser ouvido. A reverberação é uma consequência da reflexão do som; consiste no prolongamento do som original por reflexões sucessivas, quando a distância entre a fonte sonora e o obstáculo é menor do que 17 metros, mesmo de pois de deixar de ser produzido. A reverberação ocorre quando a diferença entre os instantes em que os sons são recebidos é menor do que 0,1s. Nestas condições os sons recebidos não se distinguem. A reverberação pode-nos ajudar a ouvir melhor um som produzido por um orador, por exemplo, num auditório. ABSORÇÃO Absorvem bem os sons os materiais com superfícies rugosas, como os tecidos de cortina, sofás e tapetes, o papel de parede, o cartão, etc. Bons isoladores sonoros: materiais que absorvem bem o som, não deixam que ele se propague facilmente através deles (lã, algodão, cortiça, esferovite, a borracha e o papel). Maus isoladores sonoros: materiais onde o som se propaga facilmente, sem que haja grande diminuição da sua intensidade (metais, ligas metálicas, o betão e certos tipos de vidro). 5
O QUE ACONTECE AO SOM QUANDO MUDA DE MEIO MATERIAL? Quando um som passa de um meio material para outro, normalmente parte dele é absorvido e outra parte é transmitida para o segundo meio. O som incidente muda de direção ao propagar-se no segundo meio, exceto se incidir perpendicularmente à superfície de separação dos dois meios. A refração passagem do som de um meio para outro, propagando-se a velocidade diferente. No segundo meio o som propaga-se com velocidade diferente daquela que se propagava no primeiro meio. (também ocorre absorção do som). Os fenómenos de refração e reflexão do som ocorrem simultaneamente; Tanto a reflexão como a refração do som são geralmente acompanhadas de absorção. Os sons refletidos e os sons refratados podem ser rapidamente absorvidos por determinados materiais bons isoladores acústicos diminuem a velocidade e intensidade de propagação do som. RESSONÂNCIA Quando o som é refletido pode ocorrer uma sobreposição de sons cujo efeito é a sensação de que foi reforçado; dizemos que ocorre o fenómeno de ressonância. A ressonância origina um aumento da intensidade do som. A ressonância é uma consequência da reflexão do som que origina um aumento da sua intensidade. Uma cantora de ópera pode fazer estilhaçar um copo de vidro se emitir uma nota de frequência igual à frequência de vibração do copo. Um comboio terá de atravessar devagar uma ponte comprida para evitar que a ponte entre em ressonância. Este fenómeno é utilizado na construção de instrumentos musicais tais como guitarras ou xilofones, nas caixas de ressonância. As caixas de ressonância tornam o som mais intenso, mais forte, funcionando como amplificadores. A caixa de ressonância do diapasão torna o som mais forte. Instrumentos de corda, como a guitarra ou o violino, têm caixas de ressonância como forma de amplificar o som 6
A luz A luz, tal como o som, é um fenómeno de natureza ondulatória; As ondas luminosas são ondas eletromagnéticas, ondas de natureza diferente das ondas sonoras, que são ondas mecânicas. As ondas eletromagnéticas são ondas transversais, ao contrário das do som que são longitudinais. As ondas luminosas são ondas transversais, ou seja, a direcção em que se propagam é perpendicular à direção em que se deu a perturbação. As ondas de luz e de som caraterizam-se pelas mesmas grandezas físicas: frequência, amplitude, comprimento de onda e velocidade de propagação. As ondas eletromagnéticas são ondas transversais que se propagam quer em meios materiais quer no vazio. As ondas transversais não necessitam de meio material para se propagar. Espetro eletromagnético: conjunto de todas as ondas eletromagnéticas de diferentes frequências, umas visíveis outras não para os nossos olhos. A luz visível é uma pequena parte do espetro eletromagnético, do qual fazem parte: Ondas rádio, microondas, infravermelhos, ultra-violeta, raios X e raios Cada uma destas ondas apresenta um comprimento de onda e uma frequência característicos que se relacionam pela expressão C = x f 7
As ondas luminosas ou ondas eletromagnéticas: Resultam da propagação de vibrações eletromagnéticas em diferentes meios e no vazio; A velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas é muito grande o seu valor depende do meio onde se propagam; No vazio e no ar, todas as ondas eletromagnéticas se propagam à mesma velocidade As ondas luminosas caracterizam-se por grandezas físicas como a amplitude, a frequência, comprimento de onda e velocidade de propagação. A amplitude das ondas luminosas relaciona-se com a intensidade da luz emitida pela fonte luminosa: 8
Maior amplitude das ondas luminosas maior intensidade da luz Menor amplitude das ondas luminosas menor intensidade da luz Todas as ondas luminosas têm comprimento de onda, muito pequeno (expresso em nanómetro, nm, submúltiplo do metro) 1 nm = 0,000 000 001 m, ou 10-9 m 1 m = 1 000 000 000 nm, ou 10 9 nm É a luz detetada pelos nossos olhos que permite ver os objetos. Os nossos olhos vêem os objetos porque estes emitem ou refletem luz visível. Os nossos olhos só detetam a chamada luz visível (cores do arco-íris); A luz não visível é a luz a que não é detetada pelos nossos olhos. 9
Reflexão da luz Quando a luz incide bum superfície não polida, ocorre a reflexão irregular ou difusão da luz. A luz reflete-se quando embate numa superfície. Se a superfície for lisa e polida dizemos que ocorre reflexão especular (ou regular^); se a superfície for rugosa e com irregularidades, ocorre uma reflexão difusa, ou simplesmente difusão (também designada por reflexão irregular). 10
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Espelhos planos - produzem imagens virtuais, direitas, simétricas em relação ao objeto e do mesmo tamanho deste. As imagens dos objetos são formadas atrás do espelho a partir dos prolongamentos dos raios luminosos. Os espelhos curvos alteram a dimensão dos objetos neles se observam, tendo as imagens obtidas, características que dependem, essencialmente, do tipo de espelho e da distância a que os objetos se encontram. 13
As imagens nem sempre são formadas atras do espelho; não são sem simétricas nem do mesmo tamanho dos objetos (com uma única exeção muito particular em que o tamanho pode ser o mesmo). Espelhos convexos produzem imagens virtuais, direitas e menores do que o objeto. Os espelhos convexos fazem divergir os raios luminosos que neles incidem; se prolongarmos os raios, eles cruzam-se num ponto imaginário designado foco virtual. Espelhos côncavos tanto produzem imagens virtuais, direitas e maiores do que o objeto, como imagens reais, invertidas e maiores ou menores do que o objeto. A imagem obtida num espelho (ou através de uma lente) diz-se real se pode ser projetada num alvo, e os raios convergem num ponto da imagem. A imagem obtida num espelho (ou através e uma lente) diz-se virtual se não pode ser projetada num alvo, e os raios não convergem num ponto da imagem. As imagens obtidas com espelhos planos são virtuais, simétricas, direitas, do mesmo tamanho e estão à mesma distância do objeto relativamente ao plano do espelho. As imagens obtidas com espelhos convexos são virtuais, direitas e menores do que o objeto. As imagens obtidas com espelhos côncavos, dependem da distância a que os objetos se encontram do espelho. 14