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
Um pêndulo simples tem comprimento de 0,7 m. Use g = 9,81 m/s². Calcule seu período T para pequenas oscilações.
L = 0,7 mg = 9,81 m/s²
T = s
2.Molas e pêndulosDifícil
Um projétil de 20 g a 350 m/s atinge e fica alojado em um bloco de 3,5 kg em repouso sobre uma superfície sem atrito. O bloco está preso a uma mola horizontal com k = 1200 N/m. Encontre a amplitude A da oscilação resultante em cm.
m = 20 gv = 350 m/sM = 3,5 kgk = 1200 N/m
A = cm
3.Ondas, som e ópticaMédia
Um tubo fechado em uma extremidade tem 0,65 m de comprimento. A velocidade do som é 343 m/s. Encontre a frequência f1 do modo fundamental (primeiro harmônico).
v = 343 m/sn = 1L = 0,65 m
f1 = Hz
4.Ondas, som e ópticaDifícil
Um sensor em repouso emite ultrassom de 40 kHz em direção a um carro que se afasta a 15 m/s e mistura o eco com o sinal emitido. Encontre a frequência de batimento fb (velocidade do som 343 m/s).
f = 40 kHzu = 15 m/sv = 343 m/s
fb = Hz
3Soluções
1.Molas e pêndulos
Resposta: T = 1,678 s
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.
Período do pêndulo
T = 2π·√(0,7/9,81) = 1,678 s
Resposta
T = 1,678 s
2.Molas e pêndulos
Resposta: A = 10,77 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) = 0,02·350/3,52 = 1,989 m/s
Frequência angular
ω = √(k/(m + M)) = √(1200/3,52) = 18,46 rad/s
Amplitude
A = V/ω = 1,989/18,46 = 0,1077 m = 10,77 cm
Resposta
A = 10,77 cm
3.Ondas, som e óptica
Resposta: f1 = 131,9 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|.
Comprimento de onda deste modo
λ = 4L/n = 4·0,65/1 = 2,6 m
Frequência
f = v/λ = 343/2,6 = 131,9 Hz
Resposta
f1 = 131,9 Hz
4.Ondas, som e óptica
Resposta: fb = 3352 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|.
Frequência no carro
f′ = 40000·(343 − 15)/343 = 38251 Hz
Frequência do eco
f″ = f′·343/(343 + 15) = 36648 Hz
Frequência de batimento
fb = |f″ − f| = 3352 Hz
Resposta
fb = 3352 Hz
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