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Resumos/Física e Química A/Sinais e ondas
Resumos · Física e Química APT · Secundário

Sinais e ondas

Estuda-se a propagação de sinais e as ondas — a sua classificação em mecânicas e eletromagnéticas, transversais e longitudinais —, a periodicidade temporal e espacial (período, frequência e comprimento de onda) e a relação fundamental v = λf, com aplicação às ondas harmónicas e ao som. Matéria do 11.º ano (Física), avaliada no Exame Nacional (prova 715).

4 secções·~9 min de leitura·3 competências·Nível Base 1 · Padrão 2 · Aprofundamento 1

T·161616 / 17
Perfil de exame
Classificar ondas quanto à natureza (mecânicas/eletromagnéticas) e ao tipo (transversais/longitudinais)Relacionar período, frequência e comprimento de ondaAplicar a relação v = λf à propagação de ondas e ao som
Operadores:classificarelacionacalculainterpretadistingueaplica

nível básico

Classificar ondas e reconhecer período, frequência e comprimento de onda.

nível avançado

Aplicar v = λf, interpretar ondas harmónicas e caracterizar o som.

Profundidade

Profundidade de leitura: Aprofundado

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Conteúdo · 4 secções▾
  1. Sinais e ondas
    • 01Sinais e ondas: propagação e classificação○
    • 02Ondas transversais e longitudinais◐
    • 03Periodicidade temporal e espacial◐
    • 04Relação v = λf, ondas harmónicas e som●
§ 01

Sinais e ondas: propagação e classificação#

●○○BaseLPAE-fisica-e-quimica-a-11-sinais-ondas

Pontos-chave

Um sinal é uma perturbação que transporta informação; quando se propaga num meio (ou no espaço), origina uma onda. O aspeto essencial é que uma onda transporta energia (e informação) sem transportar matéria: as partículas do meio oscilam em torno da sua posição, mas não acompanham a onda. É esta a diferença fundamental entre uma onda e o movimento de um corpo.
Quanto à natureza, as ondas classificam-se em mecânicas e eletromagnéticas (ver Fig. 1). As ondas mecânicas — como o som, as ondas numa corda ou na água — precisam de um meio material para se propagarem (não existem no vácuo). As ondas eletromagnéticas — como a luz, as ondas de rádio ou os raios X — propagam-se mesmo no vácuo, à velocidade da luz.

Ondas mecânicas e eletromagnéticas

Classificação quanto à naturezaTabela com 3 colunas e 2 linhas, Dados: Onda · Precisa de meio material? · Exemplos; Mecânica · sim (não existe no vácuo) · som, ondas numa corda, na água; Eletromagnética · não (propaga-se no vácuo) · luz, rádio, raios XONDAPRECISA DE MEIOMATERIAL?EXEMPLOSMecânicasim (não existe no vácuo)som, ondas numa corda, naáguaEletromagnéticanão (propaga-se no vácuo)luz, rádio, raios X
Fig. 1Fig. 1 — As ondas mecânicas precisam de meio; as eletromagnéticas propagam-se no vácuo.
As ondas eletromagnéticas resultam da propagação de campos elétricos e magnéticos variáveis e viajam no vácuo a «c ≈ 3,00 × 10⁸ m/s». As mecânicas propagam-se a velocidades muito menores e dependentes do meio (o som no ar a ≈ 340 m/s). Esta distinção — necessitar ou não de meio — é a primeira pergunta a fazer perante uma onda.
A Fig. 1 resume a classificação quanto à natureza. Um sinal pode ser único (um impulso) ou repetir-se no tempo (um sinal periódico); os sinais periódicos, que se estudam a seguir, são os que dão origem às ondas periódicas caracterizadas por período, frequência e comprimento de onda.
Exemplo resolvido

Classificar ondas quanto à natureza

Classifica: (a) o som; (b) a luz visível; (c) as micro-ondas.

  1. 01(a) Som

    Precisa de um meio material para se propagar ⇒ onda mecânica.

  2. 02(b) Luz visível

    Propaga-se no vácuo ⇒ onda eletromagnética.

  3. 03(c) Micro-ondas

    São radiação eletromagnética (propagam-se no vácuo) ⇒ onda eletromagnética.

Resultado: (a) mecânica; (b) e (c) eletromagnéticas.

Foco no Exame Nacional

  • Distinguir ondas mecânicas de eletromagnéticas pela necessidade (ou não) de meio material.
  • Reconhecer que uma onda transporta energia sem transportar matéria.

Erros frequentes

  • Pensar que uma onda transporta matéria (transporta energia; as partículas apenas oscilam).
  • Afirmar que o som se propaga no vácuo (é mecânico e precisa de meio).

Revisão ativa

Classifica quanto à natureza (mecânica ou eletromagnética): (a) o som de um altifalante; (b) a luz de uma lâmpada; (c) as ondas de rádio.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Física e Química A — 11.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

§ 02

Ondas transversais e longitudinais#

●●○PadrãoLPAE-fisica-e-quimica-a-11-sinais-ondas

Pontos-chave

Quanto à direção de vibração, as ondas classificam-se em transversais e longitudinais. Numa onda transversal, as partículas do meio oscilam perpendicularmente à direção de propagação — como numa corda sacudida ou na luz. O perfil da onda tem cristas (máximos) e vales (mínimos), com o aspeto sinusoidal típico (ver Fig. 2, na secção seguinte).

Ondas transversais e longitudinais

Transversais e longitudinaisTabela com 3 colunas e 2 linhas, Dados: Tipo · Vibração vs propagação · Exemplo; Transversal · perpendicular · luz, onda numa corda; Longitudinal · paralela (compressões/rarefações) · som no arTIPOVIBRAÇÃO VS PROPAGAÇÃOEXEMPLOTransversalperpendicularluz, onda numa cordaLongitudinalparalela (compressões/rarefações)som no ar
Fig. 2Fig. 2 — Transversal: vibração perpendicular à propagação; longitudinal: vibração paralela.
Numa onda longitudinal, as partículas oscilam na mesma direção em que a onda se propaga, gerando zonas de compressão (partículas mais juntas) e de rarefação (mais afastadas). O som é o exemplo maior: as moléculas do ar vibram na direção de propagação, criando variações de pressão que o ouvido deteta.
A distinção baseia-se, então, na comparação entre a direção de vibração e a de propagação: perpendicular (transversal) ou paralela (longitudinal). As ondas eletromagnéticas são transversais; o som (num gás ou líquido) é longitudinal; nas ondas numa mola, podem obter-se ambos os tipos.
Reconhecer o tipo de onda ajuda a interpretar o seu comportamento e a sua representação. Em qualquer dos casos, se o sinal for periódico, a onda caracteriza-se pelas mesmas grandezas — período, frequência, comprimento de onda e amplitude — estudadas a seguir.
Exemplo resolvido

Classificar quanto ao tipo

Classifica como transversal ou longitudinal: (a) onda numa corda vibrante; (b) som no ar.

  1. 01(a) Corda

    As partículas da corda oscilam perpendicularmente à propagação ⇒ transversal.

  2. 02(b) Som no ar

    As moléculas do ar oscilam na direção da propagação (compressões e rarefações) ⇒ longitudinal.

Resultado: (a) transversal; (b) longitudinal.

Foco no Exame Nacional

  • Distinguir ondas transversais de longitudinais pela direção de vibração face à de propagação.
  • Identificar o som como onda longitudinal e a luz como onda transversal.

Erros frequentes

  • Trocar transversal (vibração perpendicular) com longitudinal (vibração paralela à propagação).
  • Classificar o som como transversal (é longitudinal, com compressões e rarefações).

Revisão ativa

Indica, justificando, se são transversais ou longitudinais: (a) uma onda numa corda de guitarra; (b) o som no ar.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Física e Química A — 11.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

§ 03

Periodicidade temporal e espacial#

●●○PadrãoLPAE-fisica-e-quimica-a-11-sinais-ondas

Pontos-chave

Uma onda periódica repete-se no tempo e no espaço. A periodicidade temporal é caracterizada pelo período «T» (tempo de uma oscilação completa, em segundos) e pela frequência «f = 1/T» (número de oscilações por segundo, em hertz). A frequência é uma propriedade da fonte e não muda quando a onda passa de um meio para outro.
A periodicidade espacial é caracterizada pelo comprimento de onda «λ» — a distância entre dois pontos consecutivos na mesma fase (por exemplo, entre duas cristas). A amplitude «A» é o afastamento máximo da posição de equilíbrio e está associada à energia transportada pela onda (ver Fig. 3).

Perfil de uma onda harmónica

Onda harmónicaGráfico de elongação, zeros em x = 0, 3.142, 6.283, 9.425, 12.566, máximo em (1.571, 2), mínimo em (4.712, -2), máximo em (7.854, 2), mínimo em (10.996, -2), ordenada na origem y = 0, no intervalo x de 0 a 12.624681012−2−112amplitude A = 2 melongaçãoelongação y (m)posição x (m)
Fig. 3Fig. 3 — Onda harmónica: a amplitude A é a altura da crista; o comprimento de onda λ separa cristas consecutivas.
A Fig. 3 mostra o perfil de uma onda harmónica: a amplitude é a «altura» das cristas e o comprimento de onda é a distância entre cristas consecutivas. Num gráfico da elongação em função da posição, lê-se «λ»; num gráfico da elongação em função do tempo, lê-se «T». É essencial distinguir estes dois gráficos.
Estas quatro grandezas — «T», «f», «λ» e «A» — caracterizam completamente uma onda harmónica. A frequência (e o período) medem a repetição no tempo; o comprimento de onda mede a repetição no espaço; a amplitude mede a «intensidade». A relação entre elas conduz à equação fundamental das ondas, estudada a seguir.
f=1Tf = \dfrac{1}{T}f=T1​

Frequência e período

A frequência (em hertz) é o inverso do período (em segundos).

Exemplo resolvido

Frequência a partir do período

Uma onda completa uma oscilação em T = 0,020 s. Calcula a sua frequência.

  1. 01Relação

    f = 1/T.

  2. 02Substituir

    f = 1 / 0,020.

  3. 03Calcular

    f = 50 Hz (50 oscilações por segundo).

Resultado: A frequência é 50 Hz.

Foco no Exame Nacional

  • Relacionar período e frequência (f = 1/T) e identificar o comprimento de onda e a amplitude.
  • Ler λ num gráfico elongação-posição e T num gráfico elongação-tempo.

Erros frequentes

  • Confundir o gráfico elongação-tempo (lê-se T) com o gráfico elongação-posição (lê-se λ).
  • Confundir amplitude com comprimento de onda (são grandezas diferentes).

Revisão ativa

Uma onda tem período T = 0,020 s. Calcula a sua frequência. Se o comprimento de onda for 4,0 m, indica a distância entre duas cristas consecutivas.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Física e Química A — 11.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

§ 04

Relação v = λf, ondas harmónicas e som#

●●●AprofundamentoLPAE-fisica-e-quimica-a-11-sinais-ondas

Pontos-chave

A relação fundamental das ondas liga a velocidade de propagação ao comprimento de onda e à frequência: «v = λ · f». Resulta de a onda percorrer um comprimento de onda «λ» em cada período «T» (v = λ/T = λf). A velocidade depende do meio; a frequência, da fonte; o comprimento de onda ajusta-se a ambos (ver Fig. 4).

Grandezas de uma onda

Grandezas de uma ondaTabela com 3 colunas e 4 linhas, Dados: Grandeza · Símbolo · Unidade (SI); período · T · s; frequência · f · Hz; comprimento de onda · λ · m; velocidade de propagação · v · m/sGRANDEZASÍMBOLOUNIDADE (SI)períodoTsfrequênciafHzcomprimento de ondaλmvelocidade de propagaçãovm/s
Fig. 4Fig. 4 — Grandezas de uma onda e respetivas unidades (SI).
Quando uma onda muda de meio, a frequency mantém-se (é imposta pela fonte), mas a velocidade muda — logo, o comprimento de onda também muda («λ = v/f»). Esta é a razão física da refração das ondas, estudada no eletromagnetismo. Aplicar corretamente «v = λf» com unidades coerentes (SI) é essencial.
Uma onda harmónica (sinusoidal) tem uma única frequência; a maioria dos sons reais são ondas complexas, sobreposição de várias harmónicas. No som, a frequência determina a altura (som agudo ↔ frequência alta; grave ↔ baixa) e a amplitude está associada à intensidade (volume). O ouvido humano deteta, aproximadamente, dos 20 Hz aos 20 000 Hz.
A Fig. 4 organiza as grandezas de uma onda e as suas unidades. A relação «v = λf» é uma das mais usadas do domínio das ondas, aplicando-se tanto ao som como às ondas eletromagnéticas (para estas, no vácuo, «v = c»).
v=λ f=λTv = \lambda\,f = \dfrac{\lambda}{T}v=λf=Tλ​

Relação fundamental das ondas

A onda avança um comprimento de onda em cada período; v depende do meio, f da fonte.

Exemplo resolvido

Comprimento de onda do som

Uma onda sonora propaga-se no ar (v = 340 m/s) com frequência f = 170 Hz. Calcula o comprimento de onda.

  1. 01Relação

    v = λ·f ⇒ λ = v/f.

    λ=vf\lambda = \dfrac{v}{f}λ=fv​
  2. 02Substituir

    λ = 340 / 170.

  3. 03Calcular

    λ = 2,0 m.

Resultado: O comprimento de onda é 2,0 m.

Foco no Exame Nacional

  • Aplicar v = λf, mantendo a frequência constante na mudança de meio.
  • Relacionar frequência com a altura do som e amplitude com a intensidade.

Erros frequentes

  • Supor que a frequência muda quando a onda muda de meio (mantém-se; muda v e λ).
  • Aplicar v = λf com unidades incoerentes (λ em cm com v em m/s, por exemplo).

Revisão ativa

Uma onda sonora propaga-se no ar a 340 m/s com frequência de 170 Hz. Calcula o seu comprimento de onda.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Física e Química A — 11.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

Conteúdo

Secção -- / 04

    • 01Sinais e ondas: propagação e classificação○
    • 02Ondas transversais e longitudinais◐
    • 03Periodicidade temporal e espacial◐
    • 04Relação v = λf, ondas harmónicas e som●

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Dos resumos à prática

Sinais e ondas

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Referências e fontes

Fontes

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