Molas e pêndulos
- Massa em uma mola
- T = 2π·√(m/k)
- Pêndulo
- T = 2π·√(L/g)
- Frequência angular
- ω = √(k/m) = 2π/T
- Velocidade e aceleração máximas
- vmax = A·ω, amax = A·ω²
- Energia
- E = ½·k·A²
Ondas e Óptica: pacote de revisão
Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 4 exercícios, com soluções completas no final.
1Fórmulas e métodos
Ondas, som e óptica
- Velocidade da onda
- v = fλ, T = 1/f
- Corda
- v = √(T/μ), μ = m/L
- Nível sonoro
- β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
- Fonte puntiforme
- I = P/(4πr²)
- Ondas estacionárias
- corda ou tubo aberto fn = n·v/(2L); tubo fechado fn = n·v/(4L), n ímpar
- Efeito Doppler
- f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
- Índice de refração
- n = c/v, λ = λ0/n
- Lei de Snell
- n1sin θ1 = n2sin θ2
- Ângulo crítico
- sin θc = n2/n1
- Fibra óptica
- NA = sin θa = √(n1² − n2²)
- Lentes e espelhos
- 1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
- Fenda dupla
- d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
- Rede de difração
- d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
- Fenda simples
- a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a
Método
- Identifique o tipo de problema: velocidade da onda, nível sonoro, onda estacionária, Doppler, refração, lente ou espelho, ou interferência.
- Escreva primeiro a relação: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) ou n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
- Converta as unidades: nm, mm e cm para m, e verifique se os ângulos são medidos a partir da normal.
- Verifique os sinais e a plausibilidade: uma imagem virtual tem dᵢ < 0, uma fonte que se aproxima soa mais aguda, um tubo fechado só tem harmônicos ímpares.
2Exercícios
1.Molas e pêndulosMédia
Qual deve ser o comprimento de um pêndulo simples para ter período de 1,7 s? Use g = 9,81 m/s². Calcule L.
T = 1,7 sg = 9,81 m/s²
L = m
2.Molas e pêndulosDifícil
Um projétil de 20 g a 450 m/s atinge e fica alojado em um bloco de 3 kg em repouso sobre uma superfície sem atrito. O bloco está preso a uma mola horizontal com k = 1100 N/m. Encontre a amplitude A da oscilação resultante em cm.
m = 20 gv = 450 m/sM = 3 kgk = 1100 N/m
A = cm
3.Ondas, som e ópticaMédia
Uma fonte de 300 Hz move-se a 25 m/s em direção a um observador em repouso. A velocidade do som é 343 m/s. Encontre a frequência f′ que o observador ouve.
f = 300 Hzv = 343 m/svs = 25 m/s
f′ = Hz
4.Ondas, som e ópticaDifícil
Luz de comprimento de onda 500 nm incide sobre duas fendas separadas por 0,15 mm. O anteparo está a 1,2 m de distância. Encontre a distância y5 da franja clara central até a franja clara de número 5.
λ = 500 nmd = 0,15 mmL = 1,2 mm = 5
y5 = mm
3Soluções
1.Molas e pêndulos
Resposta: L = 0,7181 m
Movimento harmônico simples: uma massa m presa a uma mola de constante elástica k oscila com frequência angular ω = √(k/m) e período T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Um pêndulo simples de comprimento L tem T = 2π·√(L/g). Com amplitude A, a maior velocidade é A·ω, a maior aceleração é A·ω² e a energia é ½·k·A².
Isole o comprimento
L = g·(T/2π)² = 9,81·(1,7/2π)² = 0,7181 m
Resposta
L = 0,7181 m
2.Molas e pêndulos
Resposta: A = 15,62 cm
Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².
Velocidade após o impacto
V = m·v/(m + M) = 0,02·450/3,02 = 2,98 m/s
Frequência angular
ω = √(k/(m + M)) = √(1100/3,02) = 19,09 rad/s
Amplitude
A = V/ω = 2,98/19,09 = 0,1562 m = 15,62 cm
Resposta
A = 15,62 cm
3.Ondas, som e óptica
Resposta: f′ = 323,6 Hz
Ondas estacionárias e efeito Doppler: uma corda fixa nas duas extremidades, ou um tubo aberto nas duas extremidades, comporta meios comprimentos de onda inteiros: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … Um tubo fechado em uma extremidade tem um nó na extremidade fechada e um ventre na aberta: L = nλ/4 apenas com n ímpar, fn = n·v/(4L). Quando a fonte ou o observador se movem ao longo da linha que os une, f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): use os sinais superiores para movimento de aproximação. Duas ondas de frequências quase iguais produzem batimentos com frequência |f₁ − f₂|.
Fórmula do efeito Doppler
f′ = f·(v + vo)/(v − vs) = 300·(343 + 0)/(343 − 25)
f′ = 323,6 Hz
Resposta
f′ = 323,6 Hz
4.Ondas, som e óptica
Resposta: y5 = 20 mm
Interferência e difração: a luz de duas fendas separadas por uma distância d chega a um ponto do anteparo com uma diferença de percurso d·sin θ. Franjas claras aparecem onde d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). Para um anteparo a uma distância L ≫ d, a m-ésima franja clara está em y = mλL/d e o espaçamento entre franjas é Δy = λL/d. Uma rede de difração com N linhas por milímetro tem d = 1/N e máximos nítidos em d·sin θ = mλ; como sin θ ≤ 1, a ordem mais alta é o maior inteiro m ≤ d/λ. Uma fenda simples de largura a tem franjas escuras em a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …
Espaçamento entre franjas
Δy = λL/d = 500 × 10⁻⁹·1,2/(0,15 × 10⁻³) = 4 mm
Franja de número 5
y5 = 5·4 = 20 mm
Resposta
y5 = 20 mm
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