A luz como onda   2012
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  • 1. CONCEITOS GERAISLUZ Onda eletromagnética Energia radiante v = 300.000 km/s v = velocidade da luz no vácuo(01) Um raio laser e um raio de luz possuem, no vácuo, amesma velocidade
  • 2. • Onda eletromagnética• velocidade de propagação no vácuo 300000km/s• Produz sensações visuais• Uma fonte luminosa primaria emite vários raios de luz com vários feixes luminosos com uma ampla faixa de frequências ou cores• Se propaga mais facilmente em meios com menos matéria
  • 3. OBSERVAÇÕES Todas as ondas eletromagnéticas, possuem, no vácuo, a mesma velocidade (300.000 km/s) ANO – LUZ “ É a distância percorrida pela Luz, no vácuo, em 1 ano ” 1 ano-luz 9,5 x 1012 kmS=vx t S = 3 x 105 x 1 ano( 3,16 x 107 s) S 9,5 x 1012 km
  • 4. PROPAGAÇÃO RETILÍNEA DA LUZ“Em meios transparentes e homogêneos,a luz se propaga em linha reta”
  • 5. Luz e a Cor Luz: é um dos diferentes tipos de radiação electromagnética. Tal como os rádios conseguem captar as ondas do rádio, os olhos conseguem captar a luz visível.
  • 6. Luz e a Cor A radiação electromagnética chega ao nosso planeta vinda do sol e das outras estrelas da nossa galáxia. A atmosfera terrestre absorve a maior parte dos comprimentos de onda, mas permite a passagem das ondas de rádio e da radiação luminosa.
  • 7. Luz e a Cor A luz que nós vemos, que o sol emite, é branca. Mas é uma luz branca que é composta por uma mistura de várias cores: vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil, violeta.Nesta experiência, um feixe de luz branca édecomposto nas suas cores constituintes ao passaratravés de um prisma de Newton (prisma óptico).
  • 8. A luz se propaga pelo movimento ondulatório das ondas. Esteestudo surgiu de Huyghens pelo século XVII. Mais tarde Youngrecolheu em princípios do século XIX, o estudo feito porHuyghens e tempo depois foi desenvolvido por Fresnel eMaxwell. Este, precisando a noção de onda transversal,considerou-a como uma deformação eletromagnética. Podem-seexplicar desta maneira os fenômenos de difração,interferência e polarização.Segundo a teoria eletromagnética, a onda luminosa se encontrarepresentada em cada ponto de sua esfera de emissão, por umplano perpendicular à direção de propagação.Neste plano se encontram dois vetores oscilantesperpendiculares entre si, um elétrico e o outro magnético. Emoutras palavras definimos uma radiação como a variaçãoperiódica no espaço, num campo magnético.
  • 9. Espectro solar e comprimento de ondasSegundo a ciência, define-se que a luz se propaga em forma deondas. Estas ondas eletromagnéticas incluindo as luminosas,também têm um comprimento. A diferença de cor entre osraios luminosos depende realmente de seus comprimentos deonda.O espectro solar é uma pequena parte do mais amplo espectrodas ondas eletromagnéticas que atravessam o espaço.O olho humano é um receptor (recebe) e um seletor(seleciona), porque absorve só algumas ondas luminosas e nãotodas. O olho só percebe uma pequena porção deste espectroeletromagnético e que vai dos 400 a 700 manômetros.A luz branca se encontra formada por todas os comprimentosde onda ou cores. Os objetos absorvem grande parte das coresdo espectro e refletem uma pequena parte. As cores queabsorve um objeto desaparecem em seu interior e as cores querefletem, são as que nós vemos.
  • 10. É importante tomarmos consciência de como estamosimersos em ondas eletromagnéticas. Iniciando pelosSol, a maior e mais importante fonte para os seresterrestres, cuja vida depende do calor e da luzrecebidos através de ondas eletromagnéticas.Além de outras, recebemos também: a radiaçãoeletromagnética emitida, por átomos de hidrogênioneutro que povoam o espaço interestelar da nossagaláxia; as emissões na faixa de radiofrequências dos"quasares" (objetos ópticos que se encontram aenormes distâncias de nós, muito além de nossagaláxia, e que produzem enorme quantidade deenergia); pulsos intensos de radiação dos "pulsares"(estrelas pequenas cuja densidade média é em tornode 10 trilhões de vezes a densidade média do Sol).
  • 11. Essas radiações são tão importantes que deramorigem a uma nova ciência, a Radioastronomia, quese preocupa em captar e analisar essasinformações obtidas do espaço através de ondas.Há ainda as fontes terrestres de radiaçãoeletromagnética: as estações de rádio e de TV, osistema de telecomunicações à base demicroondas, lâmpadas artificiais, corpos aquecidose muitas outras.
  • 12. A primeira previsão da existência de ondaseletromagnéticas foi feita, em 1864, pelo físicoescocês, James Clerk Maxwell . Ele conseguiu provarteoricamente que uma perturbação eletromagnéticadevia se propagar no vácuo com uma velocidade igual àda luz.E a primeira verificação experimental foi feita porHenrich Hertz, em 1887. Hertz produziu ondaseletromagnéticas por meio de circuitos oscilantes e,depois, detectou-se por meio de outros circuitossintonizados na mesma frequência. Seu trabalho foihomenageado posteriormente colocando-se o nome"Hertz" para unidade de frequência.
  • 13. Luz visívelNote que nosso olho só tem condições de perceberfrequências que vão de 4,3x1014 Hz a 7x1014 , faixaindicada pelo espectro como luz visível.Nosso olho percebe a frequência de 4,3x1014 como acor vermelha. Frequências abaixo desta não sãovisíveis e são chamados de raios infravermelhos , quetêm algumas aplicações práticas.
  • 14. A frequência de 7x1014 é vista pelo olho como cor violeta.Frequências acima desta também não são visíveis erecebem o nome de raios ultravioleta. Têm tambémalgumas aplicações.A faixa correspondente à luz visível pode ser subdivididade acordo com o espectro a seguir.
  • 15. •Cada cor depende do comprimentoCores dos objetos de onda da luz correspondente àquela cor. O comprimento de onda da luz é a distância entre duas cristas sucessivas de onda. •As sete cores do espectro podem ser obtidas por meio da mistura de apenas três delas: Vermelho,Verde e Azul, que são denominadas cores primárias aditivas. •As substancias responsáveis pela cor de um objeto são denominadas pigmentos.cada pigmento absorve e reflete algumas cores
  • 16. A atmosfera é composta de muitas partículas: gotas de água,fumaça e gases, todas elas afastam os raios solares queentram na atmosfera do seu caminho direto; desviam-na paraos nossos olhos, fazem-na visível.
  • 17. A luz:- não resulta da vibração de partículas, mas de alterações elétricas e magnéticas; - propaga-se através de ondas transversais; - não necessita de um meio para se propagar; - propaga-se em qualquer meio e no vazio; - propaga-se no vazio à velocidade de 300 000 000 m/s; - propaga-se através de Ondas Electromagnéticas (que não necessitam de um meio para se propagar).
  • 18. Intensidade da LuzA Intensidade de uma fonte luminosa está relacionada com aamplitude da onda luminosa da seguinte forma: Intensidade Forte Quanto maior a Amplitude da onda luminosa, maior é a Intensidade da luz.
  • 19. Intensidade FracaQuanto menor a Amplitude da onda luminosa, menor é a Intensidade da luz.
  • 20. Cor da LuzA cor da luz está relacionada com a frequência de vibração daonda luminosa:
  • 21. Menor frequência corresponde a cores próximas dovermelho; Maior frequência corresponde a cores próximas dovioleta. Quanto maior a frequência da luz, maior aquantidade de energia que esta transporta.
  • 22. A luz é composta por radiações eletromagnéticas, umtipo de onda formada por um campo elétrico e umcampo magnético. Todas as radiaçõeseletromagnéticas viajam no vácuo a uma velocidade de3,00x108 m/s, e esta velocidade é representada pelaconstante v, sendo chamada de velocidade da luz (1).As características ondulatórias da radiaçãoeletromagnética se devem às oscilações periódicasentre o campo magnético e o campo elétrico. Isto dáorigem a duas características da onda: o comprimento( e a frequência ( .
  • 23. O Espectro ElectromagéticoO espectro eléctromagnético é o conjunto deradiações electromagnéticas conhecidas. De todas asradiações electromagnéticas, apenas a luz é captadapelo olho humano. Existem contudo outras radiaçõesmuito importantes, mas que o nosso olho não conseguecaptar:
  • 24. O comprimento e a frequência da ondaeletromagnética estão relacionados, pois a velocidadeda onda é sempre a mesma (velocidade da luz). Se ocomprimento da onda é longo, sua frequência serábaixa; se a frequência da onda é alta, seucomprimento será curto. Desta forma, pode-se dizerque a frequência de uma onda eletromagnética éinversamente proporcional ao seu comprimento ediretamente proporcional à razão entre a velocidadeda luz e o comprimento de onda (2).
  • 25. Esta relação entre o comprimento e a frequência da onda podeser observada na figura 1:
  • 26. Figura 1 – Relação entre o comprimento e a frequênciade uma onda. Quanto maior o comprimento, mais baixaa frequência; quanto menor o comprimento, mas alta afrequência.A frequência é expressa em ciclos por segundo, e asua unidade é o Hertz (Hz). Esta unidade equivale aoinverso de um segundo, ou seja: ouÉ a frequência da luz que determina a sua cor. Nossos olhosdetectam diferentes cores porque eles respondem de formadiferente a cada freqüência (¹). Apenas uma estreita faixa defrequências (e, consequentemente de comprimentos de onda), évisível ao olho humano. É o chamado espectro da luz visível. Estafaixa de luz visível se estende entre as frequências maiores que oinfravermelho e menores que o ultravioleta, e entre comprimentosmenores que 700 nm maiores que 420 nm (1), como pode serobservado na figura 2 e na tabela A:
  • 27. Podemos definir onda como uma variação de umagrandeza física que se propaga no espaço. É umdistúrbio que se propaga e pode levar sinais ouenergia de um lugar para outro. “Energia emmovimento”.Objetos com movimento periódico são geradoresde ondas.
  • 28. OndasMovimento causado por uma perturbação que se propaga através de um meio
  • 29. Uma onda se forma de uma série de pulsos,distúrbios que se propagam através de um meiode transporte de matéria.Quando esse meio de propagação é uma reta,trata-se de onda unidimensional (exemplo:ondas em cordas). Sendo o meio uma superfícieplana, a onda é bidimensional (exemplo: ondasdo mar). Ondas tridimensionais são as que sepropagam no espaço ( exemplo: ondas sonoras).
  • 30. Crista ou monte é a parte elevada da onda; as partesbaixas são os vales ou depressões. Comprimento de onda Ondas circulares que se formam de perturbação causada por pequenos corpos que atingem a superfície da água.
  • 31. Pingando água com um conta-gotas na superfície deáguas tranquilas de uma bacia ou jogandoperiodicamente pedrinhas na superfície de um lago,vemos a formação de ondas que se expandemcircularmente.
  • 32. C: ponto em deslocamento máximo acima da superfície (crista) V: ponto em deslocamento máximo abaixo da superfície (vale) S: ponto no nível da superfície.A medida da distância entre duas cristas ou dois valesconsecutivos determina o comprimento de onda (λ).Obseve o gráfico.
  • 33. Comprimento de onda (λ)O comprimento de onda, representado pelaletra λ (lâmbda), mede a distância entre duas cristasconsecutivas da mesma onda, ou então a distânciaentre dois vales consecutivos da mesma ondaAlém destas duas maneiras existe mais uma que vocêpode utilizar para determinar qual é o comprimentode onda de uma onda. Tente descobrir observando odesenho acima.
  • 34. O intervalo de tempo de uma oscilação completada onda chama-se período.Veja a ilustração a seguir o que ocorre numa cordadurante um período.
  • 35. Os pontos G e I oscilam em concordância de fase,numa distância λ entre si. O ponto H está em oposiçãode fase com G e I, distando deles.O valor do período pode ser medido indiretamente pelafrequência (f), isto é, conhecendo-se o número deoscilações por unidade de tempo.No S.I. a frequência é medida em hertz (Hz), unidadeque equivale a um ciclo por segundo. Mas também sãousados múltiplos e submúltiplos do hertz: 1 quilociclos/s = 1 quilohertz ( 1 kHz) == 1,0.103 ciclos/s 1 megaciclos/s = 1 megahertz ( 1 MHz) = = 1,0.106 ciclos/s
  • 36. Período (T)O período de uma onda é o tempo que sedemora para que uma onda seja criada,ou seja, para que um comprimento deonda, ou um λ, seja criado. O período érepresentado pela letra T.
  • 37. Frequência (f) A frequência representa quantas oscilaçõescompletas* uma onda dá a cada segundo. * Uma oscilação completa representa apassagem de um comprimento de onda - λ . Se por exemplo, dois comprimentos de ondapassarem pelo mesmo ponto em um segundo,dizemos que a onda oscilou duas vezes em umsegundo, representando que a frequência delaé de 2 Hz. Obs: Hertz (Hz) significa ciclos por segundo.
  • 38. O período e a frequência são grandezas inversas:Ao atingir um ponto da corda, a onda faz esse pontovibrar determinado número de vezes por unidade detempo, isto é, o ponto vibra com uma frequência f. Ointervalo de tempo de uma vibração completa é operíodo T da onda.Cada ponto P da corda executa um movimentoperpendicular à direção de propagação da onda:
  • 39. A relação entre frequência e período, que é muito importante no estudo das ondas, é dada pela expressão ao lado. Equação fundamental da ondulatóriaEsta equação é importante pois relaciona trêscaracterísticas de uma onda, a velocidade,a frequência e o comprimento de onda. Ela é sempremuito usada em problemas de ondulatória, e mereceser memorizada.
  • 40. Mas lembre-se, cuidado com as unidades. Éaconselhável o uso do Sistema Internacional,onde a velocidade é dada em m/s, ocomprimento de onda em metros e a frequênciaem Hertz. O período neste caso ficariaem segundos.
  • 41. O comprimento de onda representa a distânciapercorrida por um pulso durante o intervalo de tempode um período, isto é, entre duas cristas ou dois valessucessivos. A velocidade de propagação da onda éconstante num determinado meio. Assim, podemosescrever:
  • 42. Uma pequena esfera suspensa por uma mola executamovimento harmônico simples na direção vertical.Sempre que o comprimento da mola é máximo, aesfera toca levemente a superfície de um líquido emum grande recipiente, gerando uma onda que sepropaga com velocidade de 20 cm/s. Se a distânciaentre as cristas da onda for 5,0cm, a frequência deoscilação da esfera será:a) 0,5Hz.b) 1,0Hz.c) 2,0Hz.d) 2,5Hz.e) 4,0Hz.
  • 43. ResoluçãoA onda gerada no líquido pelo movimento da esferatem a mesma frequência desse movimento. Adistância entre duas cristas sucessivas caracteriza ocomprimento de onda do movimento ondulatório iguala 5,0cm. Logo, pela equação fundamental daondulatória, temos: Obtendo como resposta a alternativa E.
  • 44. Ao dobrarmos a frequência com que vibra uma fontede ondas produzidas na água, numa experiência comondas de água em um tanque:a) dobra o períodob) dobra a velocidade de propagação da onda.c) o período não se alterad) a velocidade de propagação da onda se reduz àmetadee) o comprimento de onda se reduz à metade
  • 45. ResoluçãoA velocidade de propagação da onda na água éconstante. Logo, b e d são falsas.O período é o inverso da frequência, se esta últimadobrou, implica a redução do período pela metade.Então, a e c são falsas.A velocidade de onda é dada por:V = λ.fOnde λ é o comprimento de onda e f é a frequência daonda e V é a velocidade de propagação da onda.Se f’ = 2 fV = λ’.f’V = λ’ . 2 f = λ . fλ = λ / 2resposta: alternativa e.
  • 46. 3 – Observando o mar de um navio ancorado, umturista avaliou em 12 m a distância entre as cristasdas ondas que se sucediam. Além disso, constatou quese escoaram 50 s até que passassem por ele dezenovecristas, incluindo a que passava no instante em quecomeçou a marcar o tempo e a que passava quandoterminou de contar. Calcule a velocidade depropagação das ondas.Resolução:Em 50s passam diante do observador dezenovecristas, que correspondem a dezoito ondas; portanto,a frequência da onda é de Hz. Logo:
  • 47. 4 – Na superfície de um líquido em um recipiente sãogeradas dez ondas por segundo. Sabendo que adistância entre duas cristas consecutivas é 2,5 cm,determine a velocidade e o período das ondas.Resolução:O comprimento de uma onda λ representa a distânciaentre duas crista consecutivas; a frequência frepresenta o total de ondas geradas na unidade detempo. Então:
  • 48. 5 - Uma onda tem frequência de 10 Hz e se propagacom velocidade de 400 m/s. então, seu comprimentode onda vale, em metros.a) 0,04b) 0,4c) 4d) 40e) 400
  • 49. ResoluçãoSão dados do exercício:V = 400 m/sf = 10 HzComo os dados já estão no sistema internacional deunidades, basta utilizar a equação de velocidade deonda:V = λ.fLogo,λ = V /fλ = 400 / 10λ = 40 mresposta: d
  • 50. 6 - Radiações como raios X, luz verde, luz ultravioleta,microondas ou ondas de rádio são caracterizadas porseu comprimento de onda (l) e por sua freqüência (f).Quando essas radiações propagam-se no vácuo, todasapresentam o mesmo valor para:a) λb) fc) λ.fd) λ / fe) λ2 / f
  • 51. ResoluçãoTodas as radiações citadas no enunciado do exercíciosão ondas eletromagnéticas. As ondaseletromagnéticas se propagam no vácuo comvelocidade igual a velocidade da luz. A equação paravelocidade de onda é v = λ.f. Logo temos comoresposta a alternativa c.Resposta a alternativa C.
  • 52. 7 – Todos os fenômenos físicos podem ser compreendidoscomo processos de transformação de energia. Qualalternativa descreve corretamente um processo dessanatureza?a) Um músico toca uma corneta. Nesse processo, a energiade ligação das moléculas dos alimentos ingeridosanteriormente se transforma em energia mecânica, namovimentação dos pulmões, que gera a energia sonora.b) Um corpo que se movimenta por inércia sobre um planocom atrito perde energia exclusivamente em forma desom, pois pode-se ouvir o barulho do atrito.c) Uma pessoa, ao erguer um peso de massa 1 kg a umaaltura de 1 metro, gasta uma energia da ordem de 1 joule.d) Não é possível que um sistema físico perca energia, poisa conservação de energia é um princípio geral da natureza.
  • 53. 8 – A propagação de ondas em meios não-dispersivosenvolve necessariamente:a) Movimento da matéria.b) Produção de energia.c) Consumo de energia.d) Transporte de energia.e) Transporte de energia e matéria9 – na propagação de uma onda há, necessariamente,transporte de:a) A massa e energia.b) Quantidade de movimento e partículas.c) Energia e quantidade de movimentod) Massa e partículas.e) Partículas e vibrações.
  • 54. 10 – O senhor KeK foi internado, no hospital hertz, porsua família, pois necessitava de cuidados médicos. Aenfermeira TT colocou o soro no senhor KeK, pois omesmo estava muito fraco. O soro fornecido aopaciente goteja à razão de 20 gotas por minuto. Julgueos itens abaixo, identificando os verdadeiros e osfalsos.0. O período médio de gotejamento é de 2,0s.1. A frequência média de gotejamento é igual a 5,0 Hz.2. Quando comparamos o período e a frequência, taisgrandezas estão em proporção inversa.3. Em um minuto, o período de gotejamento tem valorigual a 3,0s.4. Como a frequência é o inverso do período, suasunidades no SI (Sistema Internacional) são as mesmas.