Fenômenos Ondulatórios

Departamento de Física e Química – Curso de Física
Laboratório de Competências Experimentais III
Fenômenos Ondulatórios - Cuba de Onda
Objetivos:
Usando ondas produzidas mecanicamente sobre a superfície da água, verificar propriedades gerais de
ondas, como a relação entre os parâmetros velocidade de propagação, comprimento de onda e freqüência, e
observar qualitativamente situações análogas às da óptica geométrica e da óptica física.
Introdução
Quando um meio é perturbado e esta perturbação propaga-se sem a necessidade de translação do
mesmo, temos a formação de uma onda. Uma única perturbação gera um pulso ou onda única, enquanto
perturbações periódicas levam à formação de ondas periódicas. O intervalo de tempo necessário para o padrão de
perturbação se repetir é chamado período, T, e relaciona-se à freqüência da onda por
f 
1
T
A distância que deve ser transladada na direção de propagação da onda para que o seu padrão se repita é
chamada de comprimento de onda . Os parâmetros freqüência e comprimento de onda são relacionados através
da expressão abaixo para uma onda propagando-se na superfície da água.
v  f
Pode-se, para a cuba de ondas, considerar  como a distancia entre duas cristas ou dois vales consecutivos.onde
v é a velocidade de propagação da onda. Esta velocidade depende do meio em que a onda se propaga.
Os pontos da onda que estão na mesma fase definem uma superfície (para a propagação num espaço de
3 dimensões) ou uma curva (quando a propagação ocorre numa superfície bidimensional) chamada de frente de
onda. No caso de uma onda propagando-se sobre a superfície da água, todos os pontos ao longo de uma mesma
crista constituem uma frente de onda. As linhas perpendiculares às frentes de onda são chamadas raios. É com o
conceito de raio que trabalha a óptica geométrica, descrevendo os fenômenos de reflexão e refração dos raios
luminosos. A reflexão é descrita por
1 = 2
Onde 1 e 2 são, respectivamente, os ângulos dos raios incidente e refletido em relação à normal à superfície
refletora, estando esses dois raios e a normal no mesmo plano. A refração ocorre quando a velocidade da onda
muda ao passar de um meio para outro fisicamente distinto, alterando, inclusive, a direção de propagação da onda
no caso de incidência oblíqua à superfície que separa os meios.
Todavia, a explicação dos fenômenos de interferência e difração da luz exige se levar em conta a sua
natureza ondulatória, constituindo, portanto, objeto de estudo da óptica física, da qual a óptica geométrica é um
caso particular.
Nesta prática, serão produzidas ondas sobre a superfície da água e verificadas suas propriedades
gerais, como a relação entre os parâmetros v,  e f. Embora se trabalhe com ondas mecânicas, serão observadas
qualitativamente situações similares às habitualmente abordadas na óptica geométrica, tratando-se dos
fenômenos de reflexão e refração, assim como casos análogos aos da ótica física, travando-se um primeiro
contato experimental com os fenômenos da difração e interferência.
Para a visualização dos fenômenos será usada uma cuba de ondas. Ela contém uma camada de água
na qual ondas são produzidas mecanicamente e, fazendo-se uso de uma lâmpada colocada acima da mesma, tais
ondas são projetadas sobre um anteparo abaixo da cuba. Nesta projeção as cristas das ondas funcionam como
lentes convergentes e os vales como lentes divergentes.
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Material
Cuba de ondas com acessórios (lâmpada, emissor de ondas, suportes, etc.)
Folhas de papel ofício- Fonte de alimentação
Luz Estroboscópica.
Procedimento Experimental
1. Coloque as folhas de papel ofício por baixo da cuba, acenda a lâmpada e, batendo levemente o dedo na água,
teste a visualização no papel da projeção das ondas produzidas sobre a superfície da água.
2. Usando o emissor de ondas planas (tábua que trepida sob ação de um motor desbalanceado) produza ondas
com frentes de onda paralelas, isto é, ondas planas. Como são os raios associados a estas ondas?
3. Substitua a lâmpada pelo estroboscópio e varie a freqüência com que a lâmpada deste aparelho pisca até
obter uma imagem projetada "parada" das ondas planas. Por que esta imagem aparenta estar parada?
4. Varie a freqüência do emissor de ondas planas e observe a alteração do comprimento de onda das mesmas.
Isto é compatível com a equação (2) ?
5. Utilizando ainda ondas planas, de preferência com comprimento de onda grande, introduza na água a haste
retilínea de madeira formando um ângulo de aproximadamente 45º com as frentes de onda das ondas
incidentes. Esta haste desempenha função análoga à de um espelho plano. Usando a relação entre frentes de
onda e raios e a equação (3) da reflexão, esboce uma figura do que seria esperado nesta reflexão de ondas
planas por um espelho plano (desenhe as cristas das ondas incidente e refletida esperadas), e compare-a
com a figura projetada observada.
6. Substitua o "espelho plano" pelo pedaço de mangueira de forma a ter um "espelho côncavo". Localize o seu
foco e compare a distância focal com o raio do espelho (na projeção, o espelho é a sombra da mangueira). A
equação (3) leva a uma relação entre a distância focal e o raio de um espelho esférico dada por:
F
R
2
Isto é compatível com o que foi observado?
7. Retire a mangueira e introduza a lâmina acrílica em frente ao emissor de ondas planas, de forma que esta
lâmina fique coberta por uma camada de água bem fina. Compare os comprimentos de onda das ondas que
se propagam sobre a placa com os comprimentos de onda das ondas fora da placa.
(A) Onde é maior? Use a equação para interpretar o que está ocorrendo.
(B) Como é chamado o fenômeno que ocorre com as ondas quando incidem sobre a placa? Use esta parte
da experiência para elaborar um modelo que explique porque as ondas do mar quebram na praia.
Observação: Os fenômenos até aqui apresentados possuem análogos abordados habitualmente na óptica
geométrica. Adiante, lidaremos com fenômenos cujos análogos ópticos encontram explicação na óptica física.
8. Retire a lâmina acrílica e construa uma barreira com uma fenda no meio, colocando-a à frente do emissor de
ondas planas. Varie a largura desta fenda até obter ondas aproximadamente semicirculares após a barreira.
Quando são obtidas estas ondas aproximadamente semicirculares após a barreira temos o fenômeno da
difração.
(A) É possível explicá-lo usando apenas o conceito de raio? Portanto, é possível explicar a difração dentro
da óptica geométrica?
(B) Peça ao professor (ou pesquise no livro-texto) uma explicação qualitativa para este fenômeno.
(C) Variando a abertura da fenda e/ou a freqüência do emissor de ondas, altere drasticamente a relação
entre o tamanho da fenda (d) e o comprimento de onda. O que acontece quando  << d ? E quando  >>
d?
(D) Infira as relações entre  e d para:
(I) a difração manifestar-se nitidamente, e
(II) para ocorrer a transição da óptica física para a óptica geométrica.
9. Suspenda da água o emissor de ondas planas e faça com que apenas uma das esferas que constituem os
vibradores puntuais toque a superfície da água.
(A) Onde a amplitude das ondas produzidas é maior, próximo à fonte ou afastado dela? Por quê?
(B) Que tipo de onda propaga-se mantendo a amplitude constante?
10. Suspenda da água o emissor de ondas planas e faça com que apenas uma das esferas que constituem os
vibradores puntuais toque a superfície da água. Em seguida deixe as duas esferas vibrarem sobre a superfície
da água. Observe e interprete a figura de interferência.