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Manual de Instruções e Guia de Experimentos

CUBA DE ONDAS

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evitando assim que o produto seja comprimido. 3. Assegure-se que o produto não balançará dentro da embalagem. Para evitar que o produto

balance dentro da embalagem utilize calços para travá-lo. Endereço: AZEHEB | Laboratórios de Física Rua Evaristo F.F. da Costa, 621 Bairro Jardim das Américas Curitiba – PR CEP 81530-090 Telefone: (41) 3079-6638 E-mail: azeheb@azeheb.com.br

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EQUIPAMENTO

1 01 cuba transparente 40x30cm sem emendas;

2 01 mesa de metal com pés em forma de H e T

para sustentação da cuba e do espelho;

3 01 espelho refletor de 36x37cm em painel

articulável;

4 01 fonte de luz com lâmpada de 12V e

cabos de ligação RCA macho;

5 01 lente Ø6cm e distância focal de

125mm com suporte plástico e cabo;

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01 fonte de alimentação variável de 0–12V DC 1,5A e saída fixa de 12V–2A AC com proteção contra curto circuito. Tensão 110/220V através de chave seletora;

7 01 cabo duplo para ligação banana / RCA;

8 01 vibrador com controle de freqüência e

amplitude;

9 01 presilha plástica com haste de 4cm

para vibrador;

10 01 presilha plástica com haste de 9cm

para fonte de luz;

11 01 fixador com 02 furos e manípulo; 12 01 haste fêmea 500mm; 13 01 haste macho 500mm; 14 01 haste 18cm para fixar vibrador; 15 01 haste 42cm suporte de vibrador; 16 01 tripé tipo estrela; 17 02 anteparos direitos de 17cm; 18 02 anteparos esquerdos de 17cm; 19 01 anteparo reto para reflexão 27cm; 20 01 anteparo côncavo/convexo para reflexão; 21 01 anteparo 3cm; 22 01 excitador simples; 23 01 excitador duplo; 24 01 excitador plano com 29cm; 25 01 trapézio de acrílico transparente;

26 01 unidade de armazenamento para

acessórios 40x50cm;

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INFORMAÇÕES GERAIS

Fonte de Alimentação Fonte de alimentação com duas saídas (lâmpada e vibrador) e protegidas com fusível e relé.

Chave liga desliga e indicador de ligada com LED verde, alimentação para o vibrador variável de 0 a 12V-DC 1,5A e protegida contra curto circuito, a alimentação para a lâmpada 12V AC - 3A protegida com fusível de 2A, chave 127/220. Atenção: ao ligar a fonte, girar o potenciômetro no sentido anti-horário para que a tensão fique nula. Caso seja exigido da fonte uma corrente superior a 1,5A – DC, provocado um curto circuito, a fonte desliga automaticamente pela atuação de um relé (acendendo um LED vermelho) que protege a fonte e o equipamento que estiver ligado a ela. Para reativar a fonte devemos desfazer o curto circuito ou a sobrecarga e apertar a chave normalmente aberta na parte de trás da fonte apagando o LED vermelho e acendendo o LED verde de ligado.

Fonte Luminosa Fonte luminosa: cilíndrica com comprimento 8cm e diâmetro 50mm, cabo com comprimento de 7,5cm e diâmetro 0,95cm, alongador com comprimento de 25cm e diâmetro de 0,95cm, fixador e lâmpada de 12V - 21W com lente condensadora 8di.

Acessórios Excitadores

Anteparos

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Ajustes

A cuba de ondas é um equipamento utilizado para observar os fenômenos de reflexão, refração, difração, interferência e efeito Doppler na superfície da água. Para reproduzir esses fenômenos devemos colocar na cuba, uma quantidade de água com uma profundidade de aproximadamente 6mm, esperar um pouco e colocar mais água na cuba para compensar a quantidade de água absorvida pela espuma. Ligar a fonte de luz e observar a projeção movimentando um espelho articulável abaixo da cuba. O equipamento tem seu princípio de funcionamento muito simples, uma fonte de luz (lâmpada de 12V e lente condensadora), cuba com água e um espelho para projetar a imagem em uma tela ou mesmo na parede branca a uma distância máxima de 2m.

A boa qualidade da imagem projetada no anteparo depende do nível da cuba, ou seja, devemos ter a mesma profundidade de água em toda a superfície da cuba. Para nivelar a cuba devemos movimentar as sapatas niveladoras da mesa de metal (ajuste grosso) e nas sapatas da cuba (ajuste fino).

Sapatas da Mesa de Metal

Sapatas da Cuba

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O gerador de ondas (chamado vibrador) tem seu princípio de funcionamento com um motor de 12V de corrente contínua e pode ser controlado de duas formas: freqüência de vibração e amplitude da onda. A freqüência de vibração é controlada pela fonte de tensão contínua e variável de 0 a 12V. A amplitude de onda é controlada pela estrutura de fixação do motor que pode ser movimenta para frente ou para trás. Para uma freqüência de vibração pequena devemos trabalhar com uma amplitude maior. É importante trabalhar um pouco com o equipamento colocando no vibrador o excitador simples (frente de onda circunferência) e aumentar gradativamente a freqüência de vibração e observar a projeção para que se ganhe experiência na utilização do equipamento no que se refere à freqüência de vibração e amplitude da onda.

Ajuste da Amplitude

Se a amplitude da onda for muito pequena e uma freqüência de vibração também pequena a

imagem projetada não vai ser de boa qualidade, o contrário também é verdadeiro. Agora podemos trocar a fonte pontual pelo excitador plano (frente de onda reta). Antes de

fixar o excitador plano deve-se limpá-lo, principalmente a parte que toca na água. Ao tocar a água (3mm de profundidade) deve estar no mesmo nível em toda sua extensão. Aumentar gradativamente a freqüência de vibração e observar a projeção. Nota-se que não pode aumentar muito a freqüência para manter uma boa visualização do experimento. É importante observar também, como as ondas estão atravessando a cuba, isto é, se elas estão chegando inclinadas ao outro lado. Se um lado está chegando antes é porque a profundidade é maior, então, devemos novamente dar um ajuste fino no nível da cuba e repetir os procedimentos até que se tenha uma boa imagem projetada.

Esquema de Ligação

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Montagens Gerais

Fonte de Luz Montagem formada pelas peças: - 01 fonte de luz com lâmpada de 12V e

cabos de ligação RCA macho; - 01 presilha plástica com haste de 9cm

para fonte de luz; - 01 lente Ø6cm e distância focal de

125mm com suporte plástico e cabo; - 01 fixador com 02 furos e manípulo; - 01 haste fêmea 500mm; - 01 haste macho 500mm; Vibrador Montagem formada pelas peças: - 01 vibrador com controle de freqüência

e amplitude; - 01 presilha plástica com haste de 4cm

para vibrador; - 01 haste 18cm para fixar vibrador; - 01 haste 42cm suporte de vibrador; - 01 tripé tipo estrela;

Fonte de Luz

Vibrador

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EXPERIMENTOS

Relação entre Freqüência e Comprimento de Onda Procedimentos 1. Montar a cuba de ondas conforme o esquema de montagens e ajustar a distância do

espelho ao anteparo de projeção em aproximadamente 1,5m. 2. Colocar aproximadamente 6mm de água na cuba e ajustar o nível movimentando as

sapatas niveladoras na base do quadro de sustentação da cuba. 3. Colocar o vibrador no lado maior da cuba. 4. Colocar a fonte de luz no lado menor da cuba. 5. Fixar o excitador simples (fonte pontual) no vibrador e ajustar para ficar com a ponta na

superfície da água (3mm de profundidade). Para fazer esse ajuste devemos movimentar as sapatas niveladoras na base do tripé.

6. Com a fonte de alimentação desligada, gire o

potenciômetro para esquerda (tensão zero). 7. Ligar a fonte, observar a projeção e fazer algum ajuste se

necessário. 8. Ligar o vibrador girando o potenciômetro vagarosamente

até que se tenha uma freqüência média de vibração.

9. Por que a crista é a região mais clara e o vale a região mais escura? _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________

10. A distância entre duas regiões claras consecutivas representa que grandeza da onda?

_____________________________________________________________________________________ 11. Aumentar gradativamente a freqüência de vibração. O comprimento de onda aumentou

ou diminuiu? _______________________ 12. As grandezas freqüência e comprimento de onda são _______________________________.

(diretamente proporcional / inversamente proporcional) 13. A velocidade de propagação é a mesma em todas as direções? Justifique.

_____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________

14. A velocidade de propagação depende das grandezas freqüência e comprimento de onda?

Justificar a sua resposta. _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________

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Reflexão de uma Onda em Obstáculo Reto Procedimentos 1. Colocar o anteparo reto na cuba conforme o desenho abaixo.

2. Com a ponta de uma caneta toque na superfície do líquido. O toque da ponta da caneta na

superfície do líquido vai gerar uma onda transversal com frente de onda circunferência que se propaga ao longo da superfície da água. Quando atingir o anteparo, a onda vai refletir.

3. Observar o comportamento da onda incidente e da onda refletida. 4. Repetir o experimento algumas vezes para entender bem o fenômeno de reflexão. 5. Mudar o ângulo de incidência da onda em relação ao anteparo e repetir os procedimentos

2, 3 e 4. 6. Fixar o excitador plano (fonte reta) no vibrador e ajustar para ficar na superfície da água

(3mm de profundidade). 7. Ligar o vibrador girando o potenciômetro no sentido horário e em seguida no sentido

contrário até que se tenham, no máximo, duas vibrações e observar o comportamento da onda refletida.

8. Repetir o procedimento algumas vezes para entender bem o fenômeno de reflexão.

9. Na reflexão, a velocidade das ondas incidente e refletida é igual? Justificar a resposta.

_____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________

10. Comparar o ângulo de incidência com o ângulo de reflexão.

_____________________________________________________________________________________

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Reflexão em Obstáculo Côncavo Procedimentos 1. Colocar o anteparo côncavo/convexo na cuba conforme o desenho abaixo.

2. Ligar o vibrador girando o potenciômetro no sentido horário e em seguida no sentido

contrario até que se tenham, no máximo, duas vibrações. 3. Observar o comportamento das ondas incidente e refletida no obstáculo côncavo. O que se

observa? _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________

Reflexão em Obstáculo Convexo Procedimentos 1. Mudar a posição do anteparo côncavo/convexo.

2. Ligar o vibrador girando o potenciômetro no sentido horário e em seguida no sentido

contrario até que se tenham, no máximo, duas vibrações. 3. Observar o comportamento das ondas incidente e refletida no obstáculo convexo. O que se

observa? _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________

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Refração de Onda Bidimensional Procedimentos 1. Fixar o excitador plano (fonte reta) no vibrador e ajustar para ficar na superfície da água

3mm de profundidade. 2. Ajustar o nível da água na cuba movimentando as sapatas niveladoras na base do quadro

de sustentação da cuba. No experimento de refração o nível da cuba de água é muito importante.

3. Ligar o vibrador girando o potenciômetro vagarosamente até que se tenha uma freqüência

média e uma frente de onda bem definida e reta, chegando ao outro lado da cuba bem paralela. Se a frente de onda reta chegar ao outro lado da cuba inclinada, devemos fazer um ajuste fino no nível da água na cuba movimentando as sapatas niveladoras do quadro de sustentação da cuba.

4. Ajustar a amplitude da onda (pág 2) para que a imagem

projetada fique bem nítida. 5. Colocar a placa de acrílico no interior cuba. A

quantidade de água na cuba deve ter uma profundidade tal que, sobre o acrílico, tenha uma profundidade máxima de 2mm. A placa de acrílico 4mm no interior da cuba vai gerar dois meios para a propagação da onda, uma região com maior profundidade (6mm) e outra com menor profundidade (2mm).

6. Comparar os comprimentos de onda nas duas regiões, a

de maior profundidade e a de menor profundidade. 7. A freqüência se modifica com a mudança do meio de

propagação? ________________________________________________________________________________________________________

8. O comprimento de onda se modifica com a mudança do meio de propagação?

_____________________________________________________________________________________ 9. Em qual profundidade o comprimento de onda é maior?

_____________________________________________________________________________________ 10. A velocidade de propagação é maior em qual profundidade? 11. Observar o comportamento das ondas incidente e refratada e fazer um comentário sobre o

fenômeno de refração. _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________

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Difração de Onda Bidimensional Procedimentos 1. Com a mesma montagem da experiência anterior, retirar a placa de acrílico e colocar o

anteparo esquerdo no lado direito da cuba (com a ponta curvada do anteparo sobre a espuma).

2. Ligar o vibrador, girando o potenciômetro vagarosamente até que se tenha uma

freqüência média e uma frente de onda bem definida e reta. Para melhorar a observação do fenômeno de difração devemos trabalhar com uma amplitude maior e uma freqüência menor.

3. Ajustar a amplitude da onda para que a imagem da onda projetada fique bem nítida. 4. Por que, atrás do obstáculo, a frente de onda é circular?

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5. Aumentar a freqüência do vibrador e observar o fenômeno de difração. Por que quando

aumentamos a freqüência devemos diminuir a amplitude da onda? 6. O fenômeno de difração depende do comprimento de onda?

_____________________________________________________________________________________ 7. Explicar o comportamento do fenômeno de difração de acordo com a variação do

comprimento de onda. _____________________________________________________________________________________

8. Colocar dois anteparos (um esquerdo e um direito) na cuba, deixando uma fenda entre eles

conforme a foto abaixo.

9. Ligar o vibrador em baixa freqüência e observar o fenômeno de difração. 10. Aumentar vagarosamente a freqüência da onda e observar o comportamento do

fenômeno de difração.

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11. Com uma freqüência média, diminuir de 5 em 5mm a abertura da fenda. 12. O fenômeno de difração depende da abertura da fenda?

_____________________________________________________________________________________ 13. Explicar o comportamento do fenômeno de difração de acordo com a diminuição da

abertura da fenda. _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________

14. Repetir os experimentos acima e observar o comportamento do fenômeno de difração em

relação ao comprimento de onda e a abertura da fenda. O que se conclui? _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________

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Interferência de Ondas Bidimensionais com Duas Fontes Pontuais Procedimentos 1. Com a mesma montagem da experiência anterior substituir o excitador plano pelo

excitador duplo.

2. Ligar o vibrador girando o potenciômetro vagarosamente até que se tenha uma freqüência média.

3. Observar o fenômeno de interferência. 4. Ajustar a freqüência de vibração para que se tenham, na projeção da imagem de

interferência, apenas duas linhas de interferência destrutiva.

5. Observar a linha ventral central (interferência construtiva). 6. Observar a linha nodal de primeira ordem (interferência destrutiva). 7. Aumentar a freqüência para que se tenham mais linhas nodais e ventrais 8. Observar a linha ventral de primeira ordem (interferência construtiva). 9. Variar o comprimento de onda e observar o que ocorre com o número de linhas nodais. 10. Repetir os experimentos acima e observar o comportamento do fenômeno de interferência.

O que se conclui? _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________

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Efeito Doppler Procedimentos 1. Com a mesma montagem da experiência anterior substituir o excitador duplo pelo

excitador simples (fonte pontual). 2. Ligar o vibrador girando o potenciômetro vagarosamente até que se tenha uma freqüência

média e uma frente de onda projetada bem nítida. 3. Deixar o excitador simples vibrando na superfície da água gerando frentes de ondas

circulares. Definir duas posições na cuba como sendo P1 e P2, de tal modo que os pontos fiquem simétricos em relação à fonte pontual.

Fonte pontual e ponto P2 ambos em repouso. A freqüência de vibração da fonte é igual à freqüência da onda chegando ao ponto P2. 4. A fixação do cabo do vibrador permite um aperto bem leve dando condições de rotação.

Permitindo um movimento de translação da fonte pontual;

5. Girar lentamente o cabo do vibrador provocando deslocamento da fonte pontual, como

mostra a foto acima. Fonte pontual que se aproxima do ponto P2 que está em repouso. 6. Quando a fonte pontual se aproximar do ponto P2 em repouso o comprimento de onda

______________. (aumenta / diminui) 7. A freqüência da onda no ponto P2 é ________________ (maior / menor) que a freqüência

emitida pela fonte pontual. Fonte pontual que se afasta do ponto P1 que está em repouso.

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8. Quando a fonte pontual se afasta do ponto P1 em repouso o comprimento de onda _______________. (aumenta / diminui)

9. A freqüência da onda no ponto P1 é _________________ (maior / menor) que a freqüência

da fonte pontual. 10. Repetir os experimentos acima e fazer um comentário sobre o efeito Doppler.

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