Difração e Dispersão de ondas
Difração
Difração é o fenômeno que permite com que uma onda atravesse fendas ou contorne obstáculos,
atingindo regiões onde, segundo a propagação retilínea da luz, não conseguiria chegar.
Princípio de Huygens
A
difração
é explicada
pelo Princípio
de Huygens que
afirma que: “quando
os pontos de uma abertura ou de um obstáculo são atingidos pela
frente de onda eles tornam-se fontes de ondas secundárias que mudam
a direção de propagação da onda principal, atravessando a
abertura e contornando o obstáculo”.
As fontes F da figura abaixo estão emitindo ondas periódicas cuja frente de onda no instante t é a superfície AB.
Sobre essa frente de onda AB temos infinitos pontos que funcionam como se fossem fontes pontuais secundárias que formarão a nova frente de onda A’B’ nos instantes posteriores (t + Δt).
As ondas são fortemente difratadas quando o comprimento de onda λ tem aproximadamente o
mesmo tamanho da abertura da fenda ou do tamanho do obstáculo.
Pelo
motivo acima a difração
acontece facilmente nas ondas sonoras,
pois são
ondas com comprimento de onda grande (variam de 2cm a 20m).
Assim, conseguimos ouvir sons mesmo que não possamos ver a fonte, pois as ondas sonoras contornam esquinas, muros, atravessam portas, janelas e quaisquer obstáculos que tenham dimensões compreendidas entre 2cm e 20m.
É devido à difração que os os dois meninos da figura ao lado estão se comunicando através do muro.
Devemos observar, que no caso das ondas luminosas, seus comprimentos de onda são muito pequenos (da ordem de 10-7m) e por esta razão não se observa a difração da luz com facilidade, pois as aberturas e fendas são muito maiores do que o comprimento destas ondas.
Na
figura
1 temos
uma onda
incidente cujo comprimento de onda (λ) é muito menor que a abertura
(d) e
a onda
passa pela fenda.
É o que ocorre quando, por exemplo, você faz um orifício
do tamanho de um coração e utiliza como fonte luminosa uma
lanterna. O comprimento de onda da luz é da ordem de 10-7
m; logo, é tão pequeno em relação ao espaço da fenda que a
difração não acontece.
Na figura 2, ao incidirem no orifício feito por uma agulha num cartão, um feixe de raios luminosos paralelos e monocromáticos sofre difração e, após a mesma, a tira luminosa irá se alargar ao invés de diminuir, à medida que o diâmetro da fenda for diminuindo de modo que a abertura da fenda (d) e o comprimento de onda (λ) sejam aproximadamente do mesmo tamanho, ou (d) seja menor que (λ).
A difração só é observada quando a dimensão do orifício for menor ou da ordem do comprimento de onda da luz.
Assim, a difração da luz só é perceptível quando ela incide, por exemplo, na fina extremidade de uma lâmina de barbear, no orifício de uma agulha, etc.
Dispersão
A dispersão luminosa é o fenômeno da separação da luz policromática branca em suas cores componentes, o que ocorre quando a luz branca sofre refração, como por exemplo, num prisma de vidro (figuras 1) ou em gotas de água (figuras 2).
A luz policromática branca é composta de infinitas cores (freqüências), das quais destacamos o vermelho, alaranjado, amarelo, verde, azul, anil e violeta.
Importante:
No
vácuo e,
aproximadamente
no ar, de
índice
de refração absoluto n = 1, todas as cores (freqüências)
se movem
com a mesma velocidade (3,0.108m/s)
e por
essa razão estão
sempre juntas, formando a luz policromática branca.
O índice
de refração absoluto de um meio é função da freqüência (cor)
da radiação
luminosa que
o atravessa,
do comprimento
de onda da mesma, e de sua velocidade de propagação nesse meio.
Assim, como a luz branca é composta de infinitas freqüências (cores), cada uma delas, num meio com índice de refração diferente que o do vácuo e do ar, se move com velocidades diferentes e sofre desvios diferentes.
O menor desvio é o do vermelho e o maior é o do violeta.
O que você deve saber, informações e dicas
Difração é o fenômeno que permite com que uma onda atravesse fendas ou contorne obstáculos,
atingindo regiões onde, segundo a propagação retilínea da luz, não conseguiria chegar.
A difração é explicada pelo Princípio de Huygens que afirma que: “quando os pontos de uma abertura ou de um obstáculo são atingidos pela frente de onda eles tornam-se fontes de ondas secundárias que mudam a direção de propagação da onda principal, atravessando a abertura e contornando o obstáculo”.
As ondas, sejam sonoras ou luminosas serão fortemente difratadas quando o comprimento de onda λ tem aproximadamente o mesmo tamanho do objeto (obstáculo ou fenda).
Se a fonte é a mesma, a frequência da onda é a mesma antes e depois da difração.
Se, após a barreira ou a fenda, o meio for o mesmo, a velocidade de propagação da onda também será a mesma.
Assim, o comprimento de onda λ também permanece o mesmo, mas, a onda, após sofrer difração chega a regiões que não seriam atingidas caso se considerasse apenas a propagação retilínea da luz.
A dispersão luminosa é o fenômeno da separação da luz policromática branca em suas cores componentes, o que ocorre quando a luz branca sofre refração, como por exemplo, num prisma de vidro ou em gotas de água.
No
vácuo e,
aproximadamente
no ar, de
índice
de refração absoluto n = 1, todas as cores (freqüências)
se movem
com a mesma velocidade (3,0.108m/s)
e por
essa razão estão
sempre juntas, formando a luz policromática branca.
O índice de refração absoluto de um meio é função da freqüência (cor) da radiação luminosa que o atravessa, do comprimento de onda da mesma, e de sua velocidade de propagação nesse meio.
Assim, como a luz branca é composta de infinitas freqüências (cores), cada uma delas, num meio com índice de refração diferente que o do vácuo e do ar, se move com velocidades diferentes e sofre desvios diferentes.
O menor desvio é o do vermelho e o maior é o do violeta.
A luz branca é composta por infinitas cores (frequências) e não existe o azul nem o vermelho, mas sim uma determinada faixa de freqüências em que cada cor predomina.
A dispersão luminosa começa quando a luz penetra no prisma e termina quando a luz sai dele, ou seja, ocorre no interior do prisma.
Experiência de Newton na dispersão da luz policromática branca
Veja
como Isaac
Newton descreveu a proposta do experimento que
lhe permitiu
descartar ainfluência
do vidro do prisma como causa da dispersão da luz branca.
Considerando que a fonte de luz era o orifício O da janela do quarto de Newton, veja adescrição e o desenho da montagem executada por ele experiência:
“Eu peguei outro prisma igual ao primeiro e o coloquei de maneira que a luz fosse refratada de modos opostos ao passar através de ambos e, assim, ao final, voltaria a ser como era antes do primeiro prisma tê-la dispersado.”
A
figura
representa,
esquematicamente,
a
trajetória de um feixe de luz branca atravessando
uma gota
de água.
É dessa
forma
que se origina
o arco-íris.
Em 1 ocorre o fenômeno óptico da refração, em 2 da reflexão e, em 3 novamente da refração.
A decomposição da luz branca (dispersão) ocorre entre 1 e 2 e entre 2 e 3 e sua causa é devido ao fato de o índice de refração absoluto da água da gota ser diferente para cada frequência (cor) da luz, o que provoca em cada uma desvios diferentes, separando-as.
Para que o observador veja o arco iris sua posição deve ser de maneira que o Sol esteja em suas costas.
Na figura, com o raio de luz monocromático branco incidindo normalmente, ele não sofre desvio ao penetrar no prisma.
O desvio é para cima, pois o raio incidente e o raio refratado estão sempre em quadrantes opostos àqueles determinados pela normal e o vermelho sofre menor desvio que o violeta.
Exercícios de vestibulares com resoluções comentadas sobre
Difração e Dispersão de ondas
01-(UFMG-MG) O muro de uma casa separa Laila de sua gatinha. Laila ouve o miado da gata, embora não consiga enxergá-la.
Nessa situação, Laila pode ouvir, mas não pode ver sua gata, PORQUE
a) a onda sonora é uma onda longitudinal e a luz é uma onda transversal.
b) a velocidade da onda sonora é menor que a velocidade da luz.
c) a freqüência da onda sonora é maior que a freqüência da luz visível.
d) o comprimento de onda do som é maior que o comprimento de onda da luz visível.
02-(UNESP-SP) A figura representa esquematicamente as frentes de onda de uma onda reta na superfície da água, propagando-se da região 1 para a região 2. Essas regiões são idênticas e separadas por uma barreira com abertura.
A
configuração das frentes de onda observada na região 2, que mostra
o que aconteceu com a onda incidente ao passar pela abertura,
caracteriza o fenômeno da
a) absorção.
b) difração.
c) dispersão.
d) polarização.
e) refração.
03-(UFG) Um funcionário de um banco surpreende-se ao ver a porta da caixa-forte entreaberta e, mesmo sem poder ver os assaltantes no seu interior, ouve a conversa deles. A escuta é possível graças à combinação dos fenômenos físicos da:
a) interferência e reflexão.
b) refração e dispersão.
c) difração e reflexão.
d) interferência e dispersão.
e) difração e refração.
04-(UFRS) Um trem de ondas planas de comprimento de onda —, que se propaga para a direita em uma cuba com água, incide em um obstáculo que apresenta uma fenda de largura F. Ao passar pela fenda, o trem de ondas muda sua forma, como se vê na fotografia a seguir.
Qual
é o fenômeno físico que ocorre com a onda quando ela passa pela
fenda?
a) Difração.
b) Dispersão.
c) Interferência.
d) Reflexão.
e) Refração.
05-(UECE-CE)
Na
figura a seguir, C é um anteparo e So,
S1 e
S2 são
fendas nos obstáculos A e B.
Assinale a alternativa que contém os fenômenos ópticos esquematizados na figura.
a) Reflexão e difração
b) Difração e interferência
c) Polarização e interferência
d) Reflexão e interferência
06-(UFSCAR-SP) Você já sabe que as ondas sonoras têm origem mecânica. Sobre essas ondas, é certo afirmar que:
a) em meio ao ar, todas as ondas sonoras têm igual comprimento de onda.
b) a velocidade da onda sonora no ar é próxima a da velocidade da luz nesse meio.
c) por resultarem de vibrações do meio na direção de sua propagação, são chamadas transversais.
d) assim como as ondas eletromagnéticas, as sonoras propagam-se no vácuo.
e) assim como as ondas eletromagnéticas, as sonoras também sofrem difração.
07-(UFRN-RN) Na óptica geométrica , utiliza-se o conceito da propagação do raio de luz em linha reta. Isso é o que ocorre, por exemplo, no estudo das leis da refração. Esse conceito é válido:
a) sempre, independentemente de a superfície refletora ser ou não compatível com a lei de Snell-Descartes.
b) sempre, independentemente da relação entre a dimensão relevante do objeto (obstáculo ou fenda) e o comprimento de onda da luz.
c) somente para espelhos cujas superfícies refletoras sejam compatíveis com a lei de Snell-Descartes.
d) somente para objetos (obstáculos ou fendas) cujas dimensões relevantes sejam muito maiores que o comprimento de onda da luz.
08-(UFRN-RN)
Paulo
está trabalhando no alto de um barranco e pede uma ferramenta a
Pedro, que está na parte de baixo (figura).
Além do barranco, não existe, nas proximidades, nenhum outro obstáculo. Do local onde está, Pedro não vê Paulo, mas escuta-o muito bem porque, ao atingirem a quina do barranco, as ondas sonoras sofrem:
a) convecção
b) reflexão
c) polarização
d) difração
09- (UNIRIO-RJ) Um movimento ondulatório propaga-se para a direita e encontra o obstáculo AB, onde ocorre o fenômeno representado na figura, que é o de:
a) difração b) difusão c) dispersão e) refração e) polarização
10-(UNESP-SP) Um feixe de luz composto pelas cores vermelha (V) e azul (A), propagando-se no ar, incide num prisma de vidro perpendicularmente a uma de suas faces. Após atravessar o prisma, o feixe impressiona um filme colorido, orientado conforme a figura. A direção inicial do feixe incidente é identificada pela posição O no filme.
Sabendo-se que o índice de refração do vidro é maior para a luz azul do que para a vermelha, a figura que melhor representa o filme depois de revelado é
11-(UFPR-PR) O índice de refração de meios transparentes depende do comprimento de onda da luz. Essa dependência é chamada de dispersão e é responsável pela decomposição da luz branca por um prisma e pela formação do arco-íris. Geralmente o índice de refração diminui com o aumento do comprimento de onda. Considere um feixe I de luz branca incidindo sobre um ponto P de um prisma triangular de vidro imerso no ar, onde N é a reta normal no ponto de incidência, como ilustra a figura abaixo.
Com
base nisso, avalie as seguintes afirmativas:
I-O ângulo de refração da componente violeta dentro do prisma é maior que o ângulo de refração da componente vermelha.
II. Na figura, a cor vermelha fica na parte superior do feixe transmitido, e a violeta na parte inferior.
III. O feixe sofre uma decomposição ao penetrar no prisma e outra ao sair dele, o que resulta em uma maior separação das cores.
Assinale a alternativa correta.
a)Somente a afirmativa I é verdadeira.
b) Somente a afirmativa II é verdadeira.
c) Somente as afirmativas II e III são verdadeiras.
d) Somente a afirmativa III é verdadeira.
e) Somente as afirmativas I e II são verdadeiras.
12-(UNIFESP-SP)
"Eu
peguei outro prisma igual ao primeiro e o coloquei de maneira que a
luz 
fosse refratada de modos opostos ao passar através de ambos e, assim, ao final, voltaria a ser como era antes do primeiro prisma tê-la dispersado."
Assim Newton descreve a proposta do experimento que lhe permitiu descartar a influência do vidro do prisma como causa da dispersão da luz branca. Considerando que a fonte de luz era o orifício O da janela do quarto de Newton, assinale a alternativa que esquematiza corretamente a montagem sugerida por ele para essa experiência.
13- (UFRGS) Selecione a alternativa que substitui corretamente os números entre parênteses no parágrafo abaixo, na ordem em que eles aparecem. As cores que compõem a luz branca podem ser visualizadas quando um feixe de luz, ao atravessar um prisma de vidro, sofre (1), separando-se nas cores do espectro visível. A luz de cor (2) é a menos desviada na sua direção de incidência, e a de cor (3) é a mais desviada de sua direção de incidência.
(1) (2) (3)
a) dispersão vermelha violeta
b) dispersão violeta vermelha
c) difração violeta vermelha
d) reflexão vermelha violeta
e) reflexão violeta vermelha
14-(UFMG) Um feixe de luz do Sol é decomposto ao passar por um prisma de vidro. O feixe de luz visível resultante é composto de ondas como:
a) apenas sete frequências que correspondem às cores vermelha, alaranjada, amarela, verde, azul, anil e violeta.
b) apenas três frequências que correspodem às core vermelha, amarela e azul.
c) apenas três frequências que correspondem às cores vermelha, verde e azul.
d) uma infinidade de frequências que correspondem a cores desde a vermelha até a violeta.
15-(VUNESP)
A
figura representa, esquematicamente, a trajetória de um feixe de luz
branca atravessando uma gota de água. É dessa forma que se
origina o arco-íris.
a) Que fenômenos ópticos ocorrem nos pontos 1, 2 e 3?
b) Em que ponto, ou pontos, a luz branca se decompõe, e por que isso ocorre?
c) Em que posição, em relação ao Sol deve estar o observador para que ele veja o arco-íris?
16-(UNIFESP-SP) O arco-íris resulta da dispersão da luz do Sol quando incide nas gotas praticamente esféricas da água da chuva. Assinale a alternativa que melhor representa a trajetória de um raio de luz em uma gota de água na condição em que ocorre o arco-íris (I indica o raio incidente, vindo do Sol, o círculo representa a gota e O indica a posição do observador).
17-(UFMG-MG) Rafael e Joana observam que, após atravessar um aquário cheio de água, um feixe de luz do Sol se decompõe em várias cores, que são vistas num anteparo que intercepta o feixe.
Tentando explicar esse fenômeno, cada um deles faz uma afirmativa:
- Rafael: "Isso acontece porque, ao atravessar o aquário, a freqüência da luz é alterada."
- Joana: "Isso acontece porque, na água, a velocidade da luz depende da freqüência."
Considerando-se essas informações, é CORRETO afirmar que
a) ambas as afirmativas estão certas.
b) apenas a afirmativa de Rafael está certa.
c) ambas as afirmativas estão erradas.
d) apenas a afirmativa de Joana está certa.
18-(UFG-GO)
Uma
estação de rádio emite ondas médias na faixa de 1 MHz com
comprimento de onda de 300 m. Essa radiação contorna
facilmente obstáculos como casas, carros, árvores etc. devido ao fenômeno físico da
a) difração.
b) refração.
c) reflexão.
d)interferência.
e) difusão
19-
(UFAL-AL)
Alex
encontra-se dentro de uma sala, cujas paredes laterais e superior
possuem isolamento acústico. A porta da sala para o exterior está
aberta. Alex chama Bruno, que está fora da sala (ver figura).
Pode-se afirmar que Bruno escuta Alex porque, ao passar pela porta, a onda sonora emitida por este sofre:
a) polarização.
b) regularização.
c) fissão.
d) refração.
e) difração.
20-(UEM-PR)
Em exames de ultrassonografia, ondas sonoras com frequências da ordem de 106 Hz se propagam no corpo humano e são refletidas nos diferentes tecidos de seus órgãos internos. O som refletido é interpretado eletronicamente para formar imagens que são utilizadas em análise e diagnóstico médico e, também, no acompanhamento do desenvolvimento do feto. Com relação às ondas sonoras, assinale o que for correto.
01) Ondas ultrassônicas são ondas transversais polarizáveis, que podem se propagar em meios materiais.
02) A velocidade propagação e o comprimento de onda das ondas sonoras independem do meio em que essas ondas se propagam.
04) As ondas sonoras, ao se propagarem de um meio material a outro, sofrem refração.
08) Em sólidos com módulos de elasticidade volumar similares, a velocidade de propagação do som será maior para os sólidos de menor densidade.
16) A difração de ondas sonoras reflete a habilidade dessas ondas em contornar obstáculos.
21-(ENEM-MEC)
Ao diminuir o tamanho de um orifício atravessado por um feixe de luz, passa menos luz por intervalo de tempo, e próximo da situação de completo fechamento do orifício, verifica-se que a luz apresenta um comportamento como o ilustrado nas figuras.
Sabe-se que o som, dentro de suas particularidades, também pode se comportar dessa forma.
Em qual das situações a seguir está representado o fenômeno descrito no texto?
A. Ao se esconder atrás de um muro, um menino ouve a conversa de seus colegas.
B. Ao gritar diante de um desfiladeiro, uma pessoa ouve a repetição do seu próprio grito.
C. Ao encostar o ouvido no chão, um homem percebe o som de uma locomotiva antes de ouvi-lo pelo ar.
D. Ao ouvir uma ambulância se aproximando, uma pessoa percebe o som mais agudo do que quando aquela se afasta.
E. Ao emitir uma nota musical muito aguda, uma cantora de ópera faz com que uma taça de cristal se despedace.
Resolução comentada dos exercícios de vestibulares sobre
Difração e Dispersão de ondas
01- D
02- B
03- C
O4- A
05- B
06- E
07- D
08- D
A difração é explicada pelo Princípio de Huygens que afirma que: quando os pontos de um objeto (quina do barranco), são atingidos pela frente de onda eles tornam-se fontes de ondas secundárias que mudam a direção de propagação da onda principal, contornando o obstáculo
09- A
10- D. Como a incidência é normal, o raio de luz não sofre desvio ao penetrar no prisma. O desvio é para cima, pois o raio incidente e o raio refratado estão sempre em quadrantes opostos àqueles determinados pela normal e o vermelho sofre menor desvio que o azul.
11- I – Falsa. Quem sofre menor desvio (vermelho), tem maior ângulo de refração. Vide figura abaixo.
II- Verdadeira
III- Falsa. A decomposição do feixe ocorre somente no interior do prisma.
R- B
12- A. Vide figura
13- A
14- D
15- a) refração, reflexão e refração
b) A dispersão ocorre entre 1 e 2 e entre 2 e 3 e sua causa é o fato de o índice de refração absoluto da água ser diferente para cada frequência (cor) de luz, o que provoca desvios diferentes.
C) com o Sol em suas costas.
16- E
17- D
18- A difração acontece quando uma onda contorna um obstáculo ou atravessa fendas --- ela é mais acentuada quando as dimensões do obstáculo têm a mesma ordem de grandeza do comprimento de onda --- a difração é um fenômeno exclusivamente ondulatório --- R- A
19- O fenômeno descrito de passagem de ondas sonoras através de aberturas, fendas, interstícios, etc., corresponde à difração ---
R- E
20-
-01. Falsa --- o ultra-som é uma onda mecânica longitudinal, não-audível, com freqüência acima de 20KHz --- as ondas sonoras são uma série de compressões e rarefações mecânicas na direção do trajeto da onda, e por isso são chamadas de ondas longitudinais --- elas podem ocorrer nos meios sólido, liquido ou gasoso e devem-se à compressão e à separação regular de moléculas.
02- Falsa --- a maioria dos sons chega ao ouvido transmitido pelo ar, (meio de transmissão), que, quanto mais denso é melhor transmissor, pois as moléculas estão mais próximas transmitindo melhor a energia de umas para as outras --- por esse motivo, a velocidade do som nos sólidos é maior do que nos líquidos que por sua vez é maior que nos gases.
04. Correta --- A refração do som ocorre quando ela passa de um meio para outro com índice de refração diferente, ocorrendo, dessa forma, a variação da velocidade de propagação e a variação do comprimento de onda --- nunca ocorre a variação da frequência, pois se trata de uma característica da fonte que está emitindo a onda.
08. Correta --- Veja 02.
16. Correta --- difração é fenômeno que permite com que uma onda atravesse fendas ou contorne obstáculos, atingindo regiões onde, segundo a propagação retilínea da luz, não conseguiria chegar.
Corretas:04, 08 e 16 --- Soma=28.
21- O fenômeno descrito no exercício é a difração da luz que também ocorre com o som, veja teoria abaixo:
Difração – fenômeno que permite com que uma onda atravesse fendas ou contorne obstáculos, atingindo regiões onde, segundo a propagação retilínea da luz, não conseguiria chegar.
* A difração é explicada pelo Princípio de Huygens que afirma que: quando os pontos de uma abertura ou de um obstáculo são atingidos pela frente de onda eles tornam-se fontes de ondas secundárias que mudam a direção de propagação da onda principal, atravessando a abertura e contornando o obstáculo
* As ondas (sonoras ou luminosas) são fortemente difratadas quando o comprimento de onda λ tem aproximadamente o mesmo tamanho do objeto (obstáculo ou fenda).
*
Se a fonte é a mesma, a frequência da onda não se altera antes e
depois da difração. Se, após a barreira, o meio for o mesmo, a
velocidade de propagação da onda também será a mesma.
Assim, o comprimento de onda também permanece o mesmo, mas, a onda, após sofrer difração chega a regiões que não seriam atingidas caso se considerasse apenas a propagação retilínea da luz.
A difração acontece facilmente nas ondas sonoras, pois são ondas com comprimento de onda grande (variam de 2cm a 20m). Assim, conseguimos ouvir sons mesmo que não possamos ver a fonte, pois as ondas sonoras contornam esquinas, muros, atravessam portas, janelas e quaisquer obstáculos que tenham dimensões compreendidas entre 2cm e 20m.
