Ondas: transportando energia e informação
Ondas movem energia de uma fonte para um receptor sem transportar matéria — luz para os olhos, som para os ouvidos, rádio para celulares. Este tópico constrói o modelo ondulatório (frequência, comprimento de onda, velocidade) e o aplica ao espectro eletromagnético, ao som e (P) ultrassom, reflexão, refração com reflexão interna total e (P) lentes e o olho.
OxfordAQA International GCSE Física 9203, tópico 3.3 (Versão 5.1). Afirmações marcadas (P) são apenas do Paper-2-.
Propriedades gerais das ondas
Transversal: oscilações perpendiculares ao movimento — ondas eletromagnéticas e na água. Longitudinal: oscilações paralelas, como compressões e rarefações — som; ondas mecânicas podem ser ambas. Em uma fronteira, as ondas são refletidas, transmitidas ou absorvidas; a refração ocorre devido a uma mudança de velocidade entre meios, e a difração espalha as ondas através de uma abertura — fortemente quando a abertura é comparável ao comprimento de onda.
Amplitude, comprimento de onda, frequência, período e frentes de onda definem qualquer onda, e:
Exemplo resolvido. Uma onda na água com frequência 2 Hz e comprimento de onda 1.5 m viaja a $2 \times 1.5 = 3$ m/s.
O espectro eletromagnético
Uma família contínua, todas transversais, todas na mesma velocidade no vácuo, ordenadas do rádio (10⁴ m e acima) até gama (10⁻¹⁵ m). A luz visível é a faixa estreita detectada pelos nossos olhos — diferentes comprimentos de onda correspondem a diferentes cores. Todo objeto emite e absorve infravermelho; (P) objetos mais quentes irradiam mais e em frequências mais altas (radiação de corpo negro), superfícies escuras e foscas absorvem e emitem melhor, superfícies claras e brilhantes refletem.
Usos: rádio — TV e rádio incluindo Bluetooth; micro-ondas — telefones, TV por satélite; infravermelho — controles remotos, visão noturna, aquecimento; visível — fotografia, fibra óptica; UV — marcação de segurança; raios-X — imagem médica; gama — esterilização de instrumentos e alimentos. Perigos: micro-ondas aquecem tecidos; infravermelho causa queimaduras; UV provoca câncer de pele e cegueira; raios-X matam células em doses altas; gama causa mutações — limite o tempo de exposição e distância, e use blindagens.
Raios-X: comprimento de onda muito curto, alta energia, ionizante; afetam filme fotográfico, são absorvidos por metais e ossos e transmitem-se por tecidos moles — base da TC, imagens de fraturas e dentárias, e do tratamento do câncer (com monitoramento rigoroso das doses dos trabalhadores).
Som e ultrassom
Som é longitudinal, vibrando um meio, audível entre 20 Hz e 20 000 Hz; o tom segue a frequência, o volume segue a amplitude. O som reflete (ecos) e difrata. (P) Ultrassom está acima de 20 kHz: em uma fronteira entre meios, reflete parcialmente, e o tempo do eco localiza a fronteira:
Exemplo resolvido. Um pulso de ultrassom retorna de uma fronteira fetal após $6.0 \times 10^{-5}$ s (velocidade 1500 m/s no tecido): profundidade da fronteira $= 1500 \times 6.0\times10^{-5}/2 = 4.5$ cm — divida por dois para o percurso de ida e volta. Usos: ecografia pré-natal, fragmentação de cálculos renais.
Reflexão e refração
Lei da reflexão: ângulo de incidência = ângulo de reflexão, medidos a partir da normal. Um espelho plano produz uma imagem virtual, direita e invertida lateralmente; construa diagramas de raios com a normal traçada. (P) A luz entrando num meio mais denso desacelera e desvia para a normal; num meio menos denso, afasta-se; um prisma dispersa a luz branca em um espectro. O índice de refração compara velocidades:
Acima do ângulo crítico no meio mais denso, a luz é refletida internamente de forma total — como as fibras ópticas transmitem luz visível e infravermelha para medicina (endoscópios) e comunicações. Prática exigida: refração da luz por diferentes substâncias.
Lentes e o olho (P)
Uma lente convexa (convergente) faz raios paralelos convergirem no foco principal (comprimento focal da lente); uma lente côncava (divergente) os espalha como se viessem do foco. As imagens são descritas como maiores/menores, diretas/invertidas, reais/virtuais — diagramas de raios em papel quadriculado as ilustram, e aumento = altura da imagem ÷ altura do objeto. Uma lente convergente mantida próxima atua como lupa (virtual, direta, ampliada).
O olho: retina (detetor), córnea (refração principal), lente com foco variável, pupila/íris (diafragma), músculo ciliar e ligamentos suspensórios (alteram a forma da lente). Ponto próximo ≈ 25 cm; ponto distante no infinito. Hipermetropia (olho muito curto) é corrigida com lente convexa; miopia (muito longo) com lente côncava; lasers podem remodelar a córnea em cirurgia. Em comparação com uma câmera: o olho foca alterando a forma da lente, a câmera alterando a distância lente-filme; a retina desempenha o papel do sensor CCD.
Verifique você mesmo
- Indique as direções de oscilação das ondas transversais e longitudinais, com um exemplo de cada uma.
- Escreva v = fλ e calcule a velocidade de uma onda de 500 Hz com comprimento de onda 0.68 m.
- Quando a difração é mais intensa através de uma abertura?
- Ordene o espectro eletromagnético por frequência crescente.
- Quais superfícies absorvem melhor a radiação infravermelha?
- Enuncie a faixa de frequência da audição humana.
- (P) Um eco de ultrassom retorna em 0.0001 s de profundidade 15 cm. Qual é a velocidade?
- Enuncie a lei da reflexão e a natureza da imagem num espelho plano.
- (P) O vidro tem n = 1.5. Calcule o ângulo crítico.
- (P) Qual lente corrige a miopia e por quê?
Respostas: 1 perpendicular — luz; paralelo, compressões — som; 2 $v = 500 \times 0.68 = 340$ m/s; 3 abertura ≈ um comprimento de onda; 4 rádio → micro-ondas → IR → visível → UV → raios-X → gama; 5 escuro, fosco; 6 20 Hz–20 kHz; 7 (P) $v = 0.3/10^{-4} = 3000$ m/s (ida e volta).
Respostas continuadas: 8 i = r; virtual, direita, invertida lateralmente; 9 (P) $\sin c = 1/1.5$, $c \approx 41.8°$; 10 (P) uma lente côncava — ela dispersa a luz para que o olho demasiado longo foque-a na retina.