Som e Luz - Pormenores da Ciência

Som e Luz
Unidade 1 – Produção e transmissão de som
Unidade 2 – Propriedades e aplicações da luz
Ciências Fisico-Químicas 8.º ano — Universo da Matéria
Som e Luz
Trovoada
Espectáculo de raios laser
Concerto musical
Ciências Fisico-Químicas 8.º ano — Universo da Matéria
Transmissão de sinais
Toda a comunicação de informação envolve a transmissão e
uso de sinais.
Sinal
Propagação
de um sinal
Um sinal é uma perturbação de qualquer espécie que é
usada para comunicar (transmitir) uma mensagem ou parte
dela.
Sinais originam ondas que se propagam no espaço e no
tempo.
Numa onda há propagação de energia, por
vezes a grandes distâncias, mas não há
deslocamento de matéria. Há apenas
oscilações das partículas.
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O que é uma onda?
O que acontece numa onda é mais ou
menos o que acontece no chamado
«efeito dominó».
Uma perturbação é causada, por
alguém ou por alguma fonte, e esta
perturbação propaga-se de um
ponto para outro
Efeito «dominó»
Quando se coloca uma fila de dominós, por exemplo, e se derruba o primeiro,
causa-se uma perturbação somente no primeiro dominó.
A perturbação propaga-se de um lugar para o outro.
A perturbação causada no primeiro dominó chega até ao último, derrubando-o,
apesar de cada dominó não ter saído da sua posição inicial.
A energia aplicada ao primeiro dominó chega até à última peça A perturbação
transportou somente energia.
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Ondas mecânicas e electromagnéticas
Ondas mecânicas
Ondas electromagnéticas
Ondas mecânicas são aquelas que
precisam de um meio material para se
poderem propagar.
Ondas electromagnéticas não precisam
de meios materiais para se propagar.
Ondas no oceano
Som
A perturbação é causada em campos
electromagnéticos e propaga-se através
deles.
A luz do Sol
chega até nós
mesmo existindo
vácuo no espaço.
Todas são perturbações causadas em
meios materiais
Luz
Outros exemplos de ondas
electromagnéticas são as
microondas, as ondas de rádio etc.
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Transmissão de sinais
Toda a comunicação de informação envolve a transmissão e
uso de sinais.
Emissão
Propagação
Recepção
Som
Vibração de
um objecto
Onda de som
(mecânica)
Ouvido
(membrana)
Luz
Oscilações de
cargas eléctricas
Onda de luz
(electromagnética)
Olho
(retina)
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Tipos de ondas
Ondas
Ondas transversais
Ondas longitudinais
As espiras vibram numa direcção
perpendicular à direcção de
propagação da onda.
As espiras vibram para um lado e
para o outro da posição de
equilíbrio na própria direcção de
propagação.
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Características das ondas
Amplitude
Corresponde à distância máxima de elongação
Crista
Vale
O ponto mais alto da onda chama-se CRISTA.
O ponto mais baixo denomina-se VALE.
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Ondas com amplitude diferente
Características das ondas
Toda as ondas possuem uma velocidade de propagação.
Velocidade
Geralmente a velocidade da onda depende do meio material
onde ela se está a mover.
Para calcular esta velocidade média é preciso
dividir a distância percorrida pela onda pelo
tempo.
d
v
t
Meio material
Velocidade (m/s)
ar (0 ºC ; 1 atm)
331
Hidrogénio (0 ºC ; 1 atm)
1284
água (20ºC)
1482
granito
6000
alumínio
6420
A tabela permite comparar, por exemplo, a
velocidade do som em diferentes meios.
Em que material o som se propaga com maior velocidade?
Água ou ar?
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Características das ondas
Comprimento
de onda
Período
O comprimento de onda, representado pela letra  (lambda), é a
distância mínima entre dois pontos que estão na mesma fase. A
unidade de base do Sistema Internacional de Unidades é o metro (m).
É o intervalo de tempo mínimo em que se completa um ciclo. O
período é representado pela letra T. A unidade de base do Sistema
Internacional de Unidades é o segundo (s).
A frequência de onda (f) corresponde ao número de ciclos
(oscilações) realizados por unidade de tempo (segundo).
Frequência
No Sistema Internacional de Unidades a frequência expressa-se em
hertz (Hz).
* Uma oscilação completa representa a passagem de um comprimento
de onda – ..
c   f
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Produção e transmissão de
som
Unidade 1
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Fontes sonoras
Fonte sonora
É qualquer corpo capaz de fazer o ar oscilar com ondas de
frequência e amplitude detectáveis pelos nossos ouvidos
As fontes mais variadas e ricas em qualidade sonora são os instrumentos
musicais, que, de forma geral, podem ser classificados em três grandes
grupos:
– Instrumentos de sopro
clarinete, flauta, flautim, oboé,
fagote, órgão de sopro, saxofone
– Instrumentos de percussão
tambor, atabaque, bongo,
bateria, xilofone
– Instrumentos de cordas
violino, viola, contrabaixo,
harpa, piano, violoncelo
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Tipos de sons e fontes sonoras
Cada instrumento musical tem a característica de emitir uma mesma nota com
timbre diferente dos demais instrumentos. Isso dá ao instrumento uma
qualidade particular, que o torna único.
Percussão
Os sons dos instrumentos de
percussão dependem da vibração
da película flexível em que se
bate, com baquetas ou com as
mãos
Cordas
Os instrumentos de corda
têm uma caixa acústica que
amplifica o som produzido
pela vibração das cordas,
como o caso do violino, da
viola, do violoncelo, do
contra-baixo e do violão
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Sopro
Nos instrumentos de sopro, o
músico vibra o ar directamente,
utilizando-se dos próprios lábios,
da força do diafragma e do
controlo das aberturas do
instrumento (com os seus dedos).
Propriedades dos sons
Distingue sons agudos e sons graves.
Altura
A sua percepção varia de indivíduo para indivíduo, mas sobretudo entre
os animais e os humanos.
Som grave
(poucas vibrações/s)
Som agudo
(muitas vibrações/s)
Característica da onda
Frequência
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Propriedade do som
Altura
Propriedades dos sons
Intensidade
Intensidade do som (volume acústico) – Energia transferida pela
onda sonora por unidade de tempo através da unidade de superfície
perpendicular à direcção de propagação (potência sonora por unidade
de área Watt/m2)
Intensidade auditiva – Sensação sonora detectada pelo ouvido
humano (sons fracos / sons fortes)
Sons fracos
(pequena amplitude)
Sons fortes
(grande amplitude)
Característica da onda
Amplitude
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Propriedade do som
Intensidade
Propriedades dos sons
Timbre
Propriedade que permite distinguir dois sons com a mesma altura e
intensidade emitidos por fontes sonoras diferentes (distingue as vozes
humanas e sons emitidos com a mesma altura e intensidade emitidos
por instrumentos diferentes).
•
Cada tipo de instrumento musical
tem uma espécie de «assinatura»:
um conjunto de características
sonoras associadas.
•
A esse conjunto de características
chamamos de timbre.
•
A mesma nota emitida por um
trompete soa diferente quando é
produzida por um violino.
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Reflexão do som
•
•
A reflexão, é observada quando existe o encontro de uma onda com uma
superfície rígida;
Mantém as características da onda incidente e ocorre sempre que as
dimensões da superfície rígida forem muito maiores do que o comprimento
de onda.
A reflexão do som
pode ocasionar os fenómenos
Eco
Reverberação
Ciências Fisico-Químicas 8.º ano — Universo da Matéria
Reflexão do som
Eco
•
•
observado sempre que a onda incidente possui intensidade suficiente e
permite um atraso suficiente para que a onda reflectida seja percebida
distintamente.
O ouvido humano só pode
distinguir dois sons com intervalo
de 0,1 s.
O som, tem a velocidade de
340 m/s, no ar.
v
d
d
 340 

t
0,1
 d  340  0,1  d  34 m
•
O som percorre 34 m nesse
tempo.
Para uma pessoa ouvir o eco de um
som por ela produzido, deve ficar
situada a, no mínimo, 17 m do
obstáculo reflector.
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Reflexão do som
Reverberação
reflexões sucessivas nas paredes, tectos e outros obstáculos provocam
alterações na intensidade dos sons que ouvimos, reforçando-o e
prolongando-o durante algum tempo depois de cessada a emissão.
A reverberação ocorre quando a diferença entre os instantes em que se recebem os
dois sons é inferior a 0,1 s.
Não se percebe um novo som, mas há uma continuação do som inicial.
A reverberação pode ajudar a compreender o que está a ser dito por um orador num
auditório. No entanto, o excesso de reverberação pode atrapalhar o entendimento.
Ciências Fisico-Químicas 8.º ano — Universo da Matéria
Refracção do som
Refracção
A refracção é um fenómeno que ocorre quando a velocidade de
propagação sofre alterações. O que pode acontecer quando há
mudança de meio ou no mesmo meio quando este não seja
homogéneo. Na refracção, há normalmente mudança de direcção de
propagação.
O som que se ouve proveniente de uma onda sonora é diferente daquele que se ouve
quando um obstáculo (balão) interrompe as ondas sonoras antes de alcançar o nosso
ouvido.
Existe uma mudança na velocidade de propagação do som.
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Isoladores sonoros – Absorção
Absorção
A absorção ocorre quando uma onda atinge um obstáculo qualquer e
deposita parte de sua energia sonora ali, sendo reflectida ou
transmitida ou refractada com uma intensidade menor.
O planeamento do isolamento sonoro de um
edifício pressupõe ampla análise do problema para
uma fundamental tomada de decisão:
– Fonte de ruídos
– Caminhos percorridos por eles ou receptores
(pessoas que os escutam)...
Existem bons e maus
– O que deve ser isolado?
isoladores de som.
– Como isolá-los?
Devem ser utilizados materiais absorvedores como placas, painéis e forros de
espumas de poliuretano, lãs e feltros de rocha, de vidro ou de cerâmica.
Estes materiais podem ser usados correctamente para a redução da transmissão
do som.
Ciências Fisico-Químicas 8.º ano — Universo da Matéria
Difracção do som
Difracção
A difracção é a mudança na direcção da propagação da onda devido à
passagem do som por um obstáculo qualquer.
• Isso permite que possamos ouvir o rádio num local da casa diferente
de onde o rádio se encontra.
• Existe uma relação entre o comprimento de onda, as dimensões do
obstáculo e a difracção (quanto maior a razão entre os dois
primeiros, maior é a difracção).
Ciências Fisico-Químicas 8.º ano — Universo da Matéria
Intensidade do som e nível de
intensidade sonora
Intensidade do som
A unidade de medida
é o watt/m2
Nível de intensidade sonora
A unidade de medida
é o decibel (dB)
Escala especial que exprime o
nível de intensidade sonora ou
nível sonoro.
O sonómetro
mede o nível
de intensidade
sonora e está
graduado em
decibel.
Ciências Fisico-Químicas 8.º ano — Universo da Matéria
Espectro sonoro
Espectro
sonoro
distribuição, no domínio das frequências, do conjunto de todas as
ondas que formam um som.
O espectro sonoro é constituído por:
1.
2.
3.
Uma banda de frequências (0Hz-20Hz) – conjunto de infra-sons (vibrações
muito lentas – inferiores a 20 vibrações por segundo e não podem ser
detectadas pelo ouvido humano);
Uma banda de frequências(20Hz-20KHz) – conjunto de sons audíveis ou
percepcionados pelo ouvido humano;
Uma banda de frequências (acima de 20kHz) – conjunto de ultra-sons
(vibrações demasiado rápidas – não podem ser detectadas pelo ouvido
humano. São percepcionados por gatos, cães e morcegos).
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Problemas de audição
Constituição do ouvido humano
Deficiência auditiva ou surdez é a
incapacidade parcial ou total de audição.
Pode ser de nascença ou causada
posteriormente por doenças.
Audiograma – regista o limiar de audibilidade
de cada pessoa.
A – pavilhão auricular (orelha);
B – canal auditivo externo;
C – tímpano;
D – trompa de Eustáquio;
E – labirinto;
F – caracol;
G – ossículos;
H – nervo auditivo.
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O som no dia-a-dia
Ecografia
A ultra-sonografia, ou ecografia, é um método diagnóstico que aproveita o eco produzido
pelo som para ver em tempo real as sombras produzidas pelas estruturas e órgãos do
organismo.
Os aparelhos de ecografia usam os ultra-som em geral utilizam uma frequência
próxima de 1 MHz.
Conforme a densidade e composição das estruturas a atenuação e mudança de fase
dos sinais emitidos varia, sendo possível a tradução numa escala de cinza, que formará
a imagem dos órgãos internos.
Ciências Fisico-Químicas 8.º ano — Universo da Matéria
O som no dia-a-dia
Sonar
Uma das aplicações do eco é o sonar dos navios. Os navios emitem
ondas sonoras que vão ao fundo e retornam num determinado
intervalo de tempo.
Conhecendo-se as características das ondas, como velocidade,
frequência e o tempo gasto para a onda ir e voltar, pode-se calcular a
profundidade de um cardume, a forma dos fundos oceânicos ou
localizar embarcações.
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Propriedades e aplicações da
luz
Unidade 2
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Sinais luminosos
Fontes luminosas
Luz
Comunicar
Objectos
Naturais
Artificiais
Ondas
electromagnéticas
Energia
Transparentes
(deixam-se atravessar
pela luz)
Translúcidos
(deixam-se atravessar
parcialmente pela luz)
Corpos
iluminados
Todos os corpos que não
possuem luz própria
Corpos
luminosos
Todos os corpos que produzem
ou têm luz própria
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Opacos
(não se deixam
atravessar pela luz)
Espectro electromagnético
Espectro de radiação
electromagnética
Conjunto de todas as radiações
Espectro de luz visível
Conjunto das radiações visíveis (perceptíveis pelo olho humano)
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Triângulo de visão
A energia luminosa propaga-se a
partir da fonte luminosa, com um
determinado número de
propriedades:
– Propaga-se em linha recta;
– Tem uma velocidade definida de
propagação (cerca de 3x108 m/s
no vazio);
– Pode desaparecer, total ou
parcialmente quando atravessa
um meio material;
– Conserva-se desde que não
encontre nenhum meio que a
absorva.
Triângulo de visão
modelo físico que representa o
mecanismo de visão
Fonte
Receptor
Corpo
Representação da propagação em linha recta
Raio luminoso
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Feixe luminoso
(conjunto de raios luminosos)
Propriedades da luz
Os feixes luminosos podem apresentar trajectórias
diferentes
Feixe
divergente
quando os raios de luz se afastam em
todas as direcções.
Feixe
convergente
quando os raios de luz se aproximam
de um ponto.
Feixe
paralelo
quando os raios de luz se propagam
paralelamente sem se cruzarem.
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Reflexão da luz
Reflexão
da luz
mudança de direcção ou de sentido, que experimentam os raios
luminosos ao incidirem numa superfície polida, continuando a sua
propagação no mesmo meio.
Reflexão regular –
numa superfície
polida
Representação da reflexão da luz
PAGINA 37
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Reflexão difusa ou
difusão – numa
superfície rugosa
Reflexão da luz
Espelhos
planos
placa de vidro cuja superfície posterior recebeu uma fina película de
prata. Quando a luz incide sobre uma superfície deste tipo, ela é
reflectida regularmente. Essa regularidade da reflexão é que permite a
formação de imagens.
•
•
•
A imagem é do mesmo tamanho
do objecto
A imagem encontra-se à mesma
distância do espelho que o objecto
A imagem apresenta-se
lateralmente invertida (a parte
direita da imagem corresponde à
esquerda do objecto)
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Imagens em espelhos planos
Representação geométrica de uma imagem num espelho
plano
•
•
•
•
Traçar dois raios luminosos que passam
pela parte superior do objecto em
direcção ao espelho (raios incidentes)
Traçar as normais nos pontos de
incidência
Traçar para cada raio incidente o
correspondente raio reflectido
A imagem obtém-se prolongando os
raios reflectidos para trás do espelho
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Reflexão da luz
Espelhos
Planos
Fornecem imagens
sempre virtuais,
direitas, com o mesmo
tamanho e simétricas
dos objectos.
Esféricos
Côncavos
Fazem convergir
a luz que neles incide
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Convexos
Fazem divergir a luz
que neles incide
Imagens em espelhos convexos
Espelhos convexos
Natureza: virtual
Orientação: direita
Tamanho: menor do que o do objecto
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Imagens em espelhos côncavos
Objecto antes do
centro de curvatura (C)
centro de curvatura (C)
Natureza: real
Orientação: invertida
Tamanho: menor do que o
do objecto
Natureza: real
Orientação: invertida
Tamanho: maior do que o
do objecto
Objecto entre o foco (F) e
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Objecto entre o
foco (F) e o vértice (V)
Natureza: virtual
Orientação: direita
Tamanho: maior do que o
do objecto
Refracção da luz
Refracção
da luz
variação da direcção de propagação que a luz experimenta ao
atravessar meios diferentes, devido à mudança de velocidade de
propagação do feixe.
Índice de refracção é uma relação entre a velocidade da
luz num determinado meio e a velocidade da luz no vácuo
(c).
Em meios com índices de refracção mais baixos (próximos
de 1) a luz tem velocidade maior (ou seja, próximo a
velocidade da luz no vácuo).
A relação pode ser descrita pela fórmula:
c

v
onde:
c é a velocidade da luz no vácuo (c = 3 x 108 m/s);
v é a velocidade da luz no meio;
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Lentes
Lente esférica
sistema constituído por duas superfícies esféricos ou uma superfície
esférica e uma plano, nos quais a luz sofre duas refracções
consecutivas.
Lentes esféricas convergentes
(de bordos delgados ou convexas)
Lentes esféricas divergentes
(de bordos espessos ou côncavas)
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Lentes
Lentes esféricas convergentes
(de bordos delgados ou convexas)
Quando um feixe de raios paralelos ao eixo principal, incide sobre uma lente
convergente, emerge convergindo os raios de luz para um ponto denominado
foco.
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Lentes
Lentes esféricas divergentes
(de bordos espessos ou côncavas)
Quando um feixe de raios de luz, paralelos ao eixo principal, incide em uma lente
divergente, ele emerge divergindo os raios de luz.
Prolongando os raios divergentes, estes se interceptam no ponto F' denominado foco
virtual.
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Potência focal duma lente
Distância focal
Potência focal
A distância focal (f) corresponde à distância entre o centro óptico da
lente (O) e o foco (F). No Sistema Internacional de Unidades, a
distância focal exprime-se em metros (m).
A potência focal (P) ou vergência (V) define-se como o inverso da
distância focal da lente.
A potência focal exprime-se em dioptrias (D).
Lente divergente
Distância focal é negativa e
Potência focal é negativa.
Lente convergente
Potência focal é positiva.
•
•
Uma potência focal de + 5 D significa que a lente a ser
usada é uma lente convergente com uma distância focal
0,2 m ou 20 cm.
Uma potência focal de - 5 D significa que a lente a ser
usada é uma lente divergente com uma distância focal
de 0,2 m ou 20 cm.
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Se observarmos uma
receita de óculos
Podemos ler as medidas,
por exemplo, + 5 di ou 5di e assim por diante.
O que significam estas
medidas?
Indicam a potência
focal duma lente
Imagens em lentes divergentes
Lentes divergentes
Natureza: virtual
Orientação: direita
Tamanho: menor do que o objecto
Ciências Fisico-Químicas 8.º ano — Universo da Matéria
Imagens em lentes convergentes
Objecto entre o
foco (F) e o vértice (V)
Natureza: virtual
Orientação: direita
Tamanho: maior do que o
objecto
Objecto entre o foco e a
dupla distância focal
Objecto situado além
da dupla distância focal
Natureza: real
Orientação: invertida
Tamanho: maior do que o
objecto
Natureza: real
Orientação: invertida
Tamanho: menor do que o
objecto
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Formação das imagens
Constituição do olho
A – humor aquoso;
F – pupila;
B – humor vítreo;
G – cristalino;
C – esclerótica;
H – retina;
D – córnea;
I –nervo óptico.
E – íris;
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Defeitos da visão
Miopia
O míope vê mal ao longe e vê bem ao perto.
Na miopia, a imagem é focada à frente da retina.
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Defeitos da visão
Hipermetropia
O hipermetrope vê mal ao perto e vê bem ao longe.
Na hipermetropia, a imagem é focada atrás da retina.
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Correcção dos defeitos da visão
CORRECÇÃO DOS DEFEITOS DA VISÃO
Miopia
Hipermetropia
A miopia é corrigida com lentes
divergentes. Os raios de luz divergem
depois de passar as lente e, assim, a
convergência feita pelo olho permite obter
a imagem exactamente sobre a retina.
A hipermetropia é corrigida com lentes
convergentes. A convergência dos raios de
luz inicia-se assim que os raios de luz
encontram a lente e, assim, a focagem é
conseguida sobre a retina.
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Fibras Ópticas
Fibras ópticas
As fibras ópticas são tubos finíssimos feitos de vidro ou de plástico, nos
quais a luz se propaga sem se transmitir para o exterior, devido ao
fenómeno da reflexão total.
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Dispersão da luz
Dispersão da luz branca
num prisma
Quando a luz branca do Sol incide numa gota de água
(A), refracta-se e muda de direcção no seu interior. A luz
branca do Sol é constituída por várias radiações, pelo
que dentro da gota de água cada radiação vai propagarse a uma velocidade diferente (dispersão), sofrer uma
reflexão (C) e nova refracção (D).
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Cores primárias da luz
Pode obter-se luz de qualquer cor a partir da sobreposição das três cores
primárias da luz – vermelho, verde e azul.
A sobreposição de luz vermelha, luz verde e luz azul de igual intensidade
origina luz branca.
A sobreposição de duas cores primárias da
luz origina uma cor secundária:
 vermelho + verde → amarelo;
 vermelho + azul → magenta;
 verde + azul → ciano.
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Cor dos objectos opacos
O objectos pretos são aqueles que
absorvem todas as radiações do
espectro do visível.
O objectos brancos reflectem todas as
radiações do espectro do visível.
Os objectos que apresentam outras cores absorvem selectivamente algumas
radiações, sendo as outras reflectidas.
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Cor dos objectos opacos
A cor que um objecto apresenta é a que
se obtém quando, do espectro da luz
branca, se subtraem as radiações que
são preferencialmente absorvidas por
ele.
A cor de um objecto depende da radiação
com que é iluminado.
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Espectro electromagnético
Espectro
electromagnético
Ao conjunto das várias radiações electromagnéticas chama-se
espectro electromagnético.
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