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 2,4 s? Use g = 9,81 m/s². Calcule L.
T = 2,4 sg = 9,81 m/s²
L = m
2.Molas e pêndulosDifícil
Uma massa presa a uma mola com k = 240 N/m oscila sobre uma superfície sem atrito com amplitude de 5 cm. Encontre sua energia cinética K quando ela está a 1 cm do equilíbrio.
k = 240 N/mA = 5 cmx = 1 cm
K = J
3.Ondas, som e ópticaMédia
Um objeto de 5 cm de altura está a 20 cm de uma lente delgada convergente com distância focal de 5 cm. Encontre a altura da imagem hi (negativa para uma imagem invertida).
ho = 5 cmdo = 20 cmf = 5 cm
hi = cm
4.Ondas, som e ópticaDifícil
Luz de comprimento de onda 550 nm passa por uma fenda simples de 0,2 mm de largura. Encontre a largura w do máximo central claro num anteparo a 1,5 m de distância (entre as primeiras franjas escuras de cada lado).
λ = 550 nma = 0,2 mmL = 1,5 m
w = mm
3Soluções
1.Molas e pêndulos
Resposta: L = 1,431 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·(2,4/2π)² = 1,431 m
Resposta
L = 1,431 m
2.Molas e pêndulos
Resposta: K = 0,288 J
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.
Energia total
E = ½·k·A² = ½·240·0,05² = 0,3 J
Energia da mola em x
U = ½·k·x² = ½·240·0,01² = 0,012 J
Energia cinética
K = 0,3 − 0,012 = 0,288 J
Resposta
K = 0,288 J
3.Ondas, som e óptica
Resposta: hi = −1,667 cm
Óptica geométrica: numa fronteira, n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (lei de Snell), com os ângulos medidos a partir da normal e n = c/v. Ao entrar num meio mais lento, o raio se aproxima da normal. A partir de um meio mais denso (n₁ > n₂), além do ângulo crítico θc = arcsin(n₂/n₁), toda a luz é refletida: reflexão interna total. Lentes delgadas e espelhos esféricos obedecem a 1/f = 1/do + 1/di com o aumento m = −di/do. Convenção de sinais: f > 0 para uma lente convergente e um espelho côncavo (f = R/2), f < 0 para uma lente divergente e um espelho convexo; di > 0 para uma imagem real, di < 0 para uma virtual, e m < 0 para uma imagem invertida.
Equação das lentes delgadas
1/di = 1/f − 1/do = 1/5 − 1/20
di = 6,667 cm
Aumento e altura
m = −6,667/20 = −0,3333
hi = −0,3333·5 = −1,667 cm
Resposta
hi = −1,667 cm
4.Ondas, som e óptica
Resposta: w = 8,25 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, …
Primeira franja escura
y₁ = λL/a = 550 × 10⁻⁹·1,5/(0,2 × 10⁻³) = 4,125 mm
Largura do máximo central
w = 2y₁ = 8,25 mm
Resposta
w = 8,25 mm
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