Ondas: energia que se propaga
Rafegas cruzam um lago, a luz atravessa um cômodo, o som percorre o ar — ondas transportam energia e informações sem transferir matéria. Esta seção fornece seu vocabulário e equações, o espectro eletromagnético com suas aplicações e riscos, e o comportamento da luz e (P) do som: reflexão, refração e reflexão interna total.
Física International GCSE Edexcel 4PH1, Seção 3 (enunciados 3.1–3.29P). Unidades: grau (°), hertz (Hz), metro (m), m/s, segundo (s).
Propriedades das ondas
Ondas transversais oscilam perpendicularmente à propagação (luz, água). Ondas longitudinais oscilam ao longo da direção de propagação como compressões e rarefações (som). Vocabulário: amplitude (deslocamento máximo), comprimento de onda λ (de crista a crista subsequente), frequência f (ondas por segundo, Hz), período T (tempo por onda), frente de onda (linha de cristas simultâneas).
Exemplo resolvido. Uma onda sonora de 340 Hz a 340 m/s: $\lambda = 340/340 = 1$ m; período $= 1/340 \approx 2.9$ ms. O efeito Doppler: uma fonte em movimento aproximando-se de um observador agrupa as frentes de onda — frequência observada maior; afastando-se, estira-as — menor.
O espectro eletromagnético
Uma família, mesma velocidade no vácuo, ordenada por comprimento de onda decrescente (frequência crescente): rádio → micro-ondas → infravermelho → visível (vermelho a violeta) → ultravioleta → raios-X → gama.
| Radiação | Uso | Perigo |
|---|---|---|
| rádio | transmissão, comunicações | — |
| micro-ondas | cozimento, TV via satélite | aquecimento interno dos tecidos |
| infravermelho | aquecedores, visão noturna | queimaduras na pele |
| visível | fibras ópticas, fotografia | — |
| ultravioleta | lâmpadas fluorescentes | dano a células superficiais, cegueira |
| raios-X | imagem interna de objetos/corpos | câncer, mutação (ionizante) |
| gama | esterilização de alimentos e equipamentos | câncer, mutação |
Proteção: limite o tempo de exposição, blindagem, protetor solar (UV).
Luz e som
A luz é transversal e reflete e refrata. Lei da reflexão: ângulo de incidência = ângulo de reflexão. Refração: ao entrar no vidro (otticamente mais denso), a luz desacelera e desvia em direção à normal; ao sair, ela se afasta.
Reflexão total interna ocorre quando o ângulo dentro do meio mais denso excede o ângulo crítico — princípio das fibras ópticas (comunicações, endoscópios) e prismas em periscópios.
Exemplo resolvido. Vidro com $n = 1.5$: $\sin c = 1/1.5 = 0.667$, logo $c \approx 41.8°$. Um raio dentro do vidro atingindo a fronteira em 45° excede 41.8° — totalmente refletido internamente.
(P) Som é longitudinal, entre 20–20 000 Hz para audição humana; o tom sobe com a frequência, o volume com a amplitude. Um osciloscópio com microfone exibe a onda; práticas medem ecos ou ressonâncias para encontrar a velocidade do som no ar.
Verifique você mesmo
- Dê uma semelhança e uma diferença entre ondas transversais e longitudinais.
- Defina amplitude, comprimento de onda e frequência.
- Uma onda de frequência 500 Hz viaja a 340 m/s. Calcule seu comprimento de onda.
- Enuncie a ordem do espectro eletromagnético por frequência crescente.
- Dê um uso cada de micro-ondas, infravermelho e raios gama, e um perigo do UV.
- Enuncie a lei da reflexão.
- Para onde a luz se curva ao entrar no vidro e ao sair dele?
- O vidro tem n = 1.5. Calcule o ângulo crítico.
- (P) Enuncie a faixa de frequência auditiva humana, e o que aumenta o tom e o volume.
- (P) Como a trilha de um osciloscópio muda quando um som fica mais alto no mesmo tom?
Respostas: 1 ambos transferem energia sem transferir matéria; transversal oscila perpendicularmente à direção de propagação (luz), longitudinal ao longo dela como compressões (som); 2 amplitude — deslocamento máximo em relação à posição de equilíbrio; comprimento de onda — distância entre pontos idênticos consecutivos; frequência — número de ondas por segundo; 3 $\lambda = 340/500 = 0.68$ m; 4 rádio, micro-ondas, infravermelho, visível, ultravioleta, raios-X, gama; 5 micro-ondas — cozimento/satélites; infravermelho — aquecedores/visão noturna; gama — esterilização; UV danifica células superficiais e pode cegar; 6 ângulo de incidência = ângulo de reflexão; 7 em direção à normal ao entrar, afastando-se da normal ao sair; 8 $\sin c = 1/1.5$, $c \approx 41.8°$; 9 (P) 20–20 000 Hz; maior frequência eleva o tom, maior amplitude eleva o volume; 10 (P) os picos da trilha ficam mais altos (amplitude) enquanto o número de ciclos por segundo (frequência) permanece igual.