Ondas

Ripples em um lago, o som de uma voz, a luz de uma estrela distante — todas são ondas transportando energia de uma fonte para um absorvedor. Esta referência cobre Física AQA GCSE 8463, tópico 4.6 Ondas.

Como o exame aborda este tópico:

• O Paper 2 aborda este tópico. $T = 1/f$, $v = f\lambda$ e ampliação estão na folha anexa.
• Reflexão (RP9), som, deteção de ondas, lentes, luz visível e radiação de corpo negro são apenas física; som e deteção também são apenas HT; partes das propriedades do EM são apenas HT.
• Práticas obrigatórias: RP8 (velocidade de onda em tanque de ondulações e sólido) e RP9 (reflexão e refração, apenas física).
• Você deve construir diagramas de raios para reflexão, refração e lentes.

Ondas longitudinais apresentam compressões (partículas comprimidas) e rarefações (partículas espalhadas).

Evidência de que a onda se move, não o material: uma ripple atravessa um lago, mas a água apenas sobe e desce (uma bola na superfície permanece no lugar); o som chega até você, mas o ar não viaja da fonte até o ouvido.

• A velocidade da onda é a rapidez com que energia é transferida através do meio.
• Leia a amplitude e o comprimento de onda diretamente em um diagrama rotulado.

Exemplo resolvido. Uma onda de água tem frequência 2.0 Hz e comprimento de onda 0.35 m.

Exemplo resolvido (kHz e μm). Som de frequência 4.0 kHz viaja a 330 m/s.

• Converta: $f = 4000$ Hz.
  $$\lambda = \frac{v}{f} = \frac{330}{4000} = 0.0825 \approx 8.3\times10^{-2}\ \text{m}$$

Medindo velocidades de ondas (RP8)

• Ondulações: tanque de ondulações escurecido; motor de barra reta produz ondas contínuas; fotografe/meça o comprimento de onda com uma régua na tela, conte as ondas que passam por um ponto em 10 s para a frequência; $v = f\lambda$.
• Ondas em sólidos: um gerador de vibração envia ondas ao longo de uma corda esticada; ajuste a frequência até aparecer um número inteiro claro de laços — meça o comprimento e conte os laços para $\lambda$; $f$ é lido no gerador de sinais.
• Velocidade do som: posicione-se a uma distância conhecida de uma parede, batpalmas e cronometre o eco para vários batidas, divida (ou use duas pessoas com um cronômetro sobre uma grande distância; temporização eletrônica é melhor).

(Física apenas) Som mudando de meio: se a velocidade muda, a frequência ou o comprimento de onda (ou ambos) mudam com ela — $v = f\lambda$ relaciona as três.

Em uma fronteira, uma onda pode ser refletida, absorvida ou transmitida:

• reflexão especular: de uma superfície lisa, em uma direção;
• reflexão difusa: de uma superfície rugosa, dispersa;
• absorção: energia permanece no material; transmissão: passa através.

Construa o diagrama de raios da reflexão: a normal perpendicular à superfície no ponto de incidência; o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão — ambos medidos a partir da normal.

RP9: direcione um feixe de luz contra espelho plano / superfícies ásperas; trace os raios incidentes e refletidos com um lápis, meça os ângulos com um transferidor; para refração, faça a luz passar por um bloco de vidro e trace o caminho curvado em cada fronteira.

O som viaja através de sólidos como vibrações. No ouvido, ondas sonoras vibraram a membrana timpânica e outras partes — a sensação de som é vibração convertida. Isso funciona apenas sobre uma faixa de frequência limitada: a audição humana abrange 20 Hz a 20 kHz. Exemplos de conversão: a membrana de um microfone, a pele de um tambor, janelas tremendo perto de um alto-falante de graves.

• Ultrassom: frequência acima de 20 kHz; parcialmente refletido em interfaces entre meios; o tempo do eco fornece a distância até uma interface ($s = vt$, com o trajeto frequentemente ida e volta). Usos: ultrassonografia pré-natal médica (seguro, não ionizante), detecção de falhas industriais.
• Ondas sísmicas: terremotos geram ondas P (longitudinais) e ondas S (transversais), que se propagam em velocidades diferentes pela Terra; ondas P atravessam líquidos, ondas S não — as zonas de sombra revelam a estrutura em camadas da Terra. Sonar com pulsos de ultrassom/som mapeia fundos marinhos.

Todas as ondas EM são transversais, transferindo energia da fonte para o absorvedor. Formam um espectro contínuo e todas viajam à mesma velocidade no vácuo ou no ar ($3\times10^8$ m/s). De comprimento de onda maior para menor:

Os olhos detectam apenas luz visível — uma faixa muito estreita.

Perigos: UV envelhece prematuramente a pele e aumenta o risco de câncer de pele; raios-X e raios gama são ionizantes — podem mutar genes e causar câncer. Dose de radiação em sieverts mede o risco de dano (1000 mSv = 1 Sv; memorização da unidade não é exigida). Tire conclusões dos dados de dose.

(HT) Substâncias absorvem, transmitem, refratam ou refletem ondas EM de formas que variam conforme o comprimento de onda; a refração decorre da mudança de velocidade entre substâncias. Ilustre a refração em diagrama de raios (curvatura em direção à normal ao desacelerar) e em diagramas de frentes de onda (frentes mais próximas no meio mais lento).

Uma lente forma uma imagem por refração da luz:

• convexa: raios paralelos convergem no foco principal; distância focal = distância lente-foco; imagens reais ou virtuais.
• côncavo: raios se espalham; imagem sempre virtual.

Regras do diagrama de raios (dois raios localizam a imagem): um raio paralelo ao eixo refrata pelo foco (convexo) ou parece vir dele (côncavo); um raio pelo centro da lente segue em linha reta.

• Uma razão, sem unidades; ambas as alturas em mm ou ambas em cm.

Exemplo resolvido. Um objeto de 5.0 mm de altura forma uma imagem de 20 mm de altura.

Cada cor é sua própria faixa estreita de comprimento de onda (vermelho o mais longo, violeta o mais curto na faixa visível).

• Filtros absorvem alguns comprimentos de onda e transmitem outros (um filtro vermelho transmite vermelho).
• A cor de um objeto opaco = os comprimentos de onda que ele reflete fortemente; os demais são absorvidos. Tudo refletido → branco; tudo absorvido → preto.
• Objetos transparentes/translúcidos transmitem luz.
• Reflexão especular vs difusa (da seção de reflexão) explica por que uma superfície vermelha lisa parece brilhante, mas papel parece fosco.

Todos os corpos, a qualquer temperatura, emitem e absorvem infravermelho. Quanto mais quente o corpo, mais radiação ele emite por segundo.

Um corpo negro perfeito absorve toda a radiação incidente — sem reflexão, sem transmissão — e (bom absorbedor = bom emissor) também é o melhor possível emissor.

A intensidade e distribuição de comprimentos de onda da radiação emitida dependem da temperatura do corpo: mais quente → mais intensa, e o pico desloca-se para menor comprimento de onda.

(HT) Um corpo a temperatura constante absorve à mesma taxa que emite.

Absorvendo mais rápido que emitindo → temperatura sobe. A temperatura da Terra depende do equilíbrio de radiação absorvida e emitida e da reflexão de volta ao espaço — use para explicar aquecimento e exemplos estilo albedo de gelo, e leia o diagrama padrão.

• Defina amplitude, comprimento de onda, frequência, período; use $T = 1/f$ e $v = f\lambda$ com prefixos.
• Descreva RP8 em um tanque de ondas e em uma corda; descreva um método de velocidade do som.
• (apenas física) Desenhe diagramas de raios de reflexão e refração com a normal; RP9.
• Recite a ordem do espectro EM; associe usos e perigos com as razões; compare dados de dose.
• (física apenas) Desenhe diagramas de raios de lentes (convexas/côncavas); amplificação como uma razão adimensional.
• (física apenas) Explique a cor por reflexão, filtros por transmissão.
• (física apenas) Emissão de corpo negro, absorção e equilíbrio radiativo da Terra (HT).