AL 2.2 Velocidade de propagação do som

 

Objetivo geral: Determinar a velocidade de propagação de um sinal sonoro.

Introdução

Para atingir o objetivo geral proposto nesta atividade, o procedimento experimental que se sugere passa por:

• medir a velocidade do som no ar (medi cão indireta);

• comparar o valor obtido para a velocidade do som com o tabelado;

• avaliar a exatidão do resultado;

• calcular o erro percentual.

 

Fundamentos teóricos da atividade

As ondas sonoras audíveis pelos seres humanos têm frequência entre 20 Hz e 20 000 Hz.

As ondas sonoras com frequências inferiores a 20 Hz são chamadas de infrassons e as ondas sonoras com frequências superiores a 20 000 Hz são denominadas ultrassons.

No ar como em outros fluidos, as ondas sonoras são ondas mecânicas longitudinais, uma vez que as partículas do meio ficam sujeitas a deslocações na direção em que a onda se propaga.

A sua velocidade de propagação vai depender do meio em que se propagam.

A velocidade de propagação do som é, geralmente, maior nos sólidos do que nos líquidos e maior nos líquidos do que nos gases.

A velocidade de propagação do som no ar depende da temperatura, aumentando com esta.

À temperatura de 20 ºC a velocidade de propagação do som no ar é, aproximadamente, 343 m s-1.

 

Metas transversais

Aprendizagem do tipo processual:

  • Identificar material e equipamento de laboratório e manuseá-lo corretamente, respeitando regras de segurança e instruções recebidas.
  • Executar corretamente técnicas laboratoriais.
  • Identificar aparelhos de medida, analógicos e digitais, o seu intervalo de funcionamento e a respetiva incerteza de leitura.
  • Efetuar medições utilizando material de laboratório analógico, digital ou de aquisição automática de dados.

 

Aprendizagem do tipo conceptual:

  • Identificar o objetivo de um trabalho prático.
  • Identificar o referencial teórico no qual se baseia o procedimento utilizado num trabalho prático, incluindo regras de segurança específicas.
  • Interpretar e seguir um protocolo.
  • Utilizar regras de contagem de algarismos significativos.
  • Distinguir erros aleatórios de erros sistemáticos.
  • Indicar a medida de uma grandeza numa única medição direta, atendendo à incerteza experimental associada à leitura no aparelho de medida.
  • Indicar a medida de uma grandeza quando há um conjunto de medições diretas, efetuadas nas mesmas condições, tomando como valor mais provável o valor médio.
  • Calcular a incerteza absoluta do valor mais provável de um conjunto de medições diretas (o maior dos desvios absolutos), assim como a incerteza relativa em percentagem (desvio percentual), e indicar a medida da grandeza.
  • Associar a precisão das medidas à sua maior ou menor dispersão, quando há um conjunto de medições diretas, e aos erros aleatórios.
  • Determinar o erro percentual associado a um resultado experimental quando há um valor de referência.
  • Associar a exatidão de um resultado à maior ou menor proximidade a um valor de referência e aos erros sistemáticos, relacionando-a com o erro percentual.
  • Identificar erros que permitam justificar a baixa precisão das medidas ou a baixa exatidão do resultado.
  • Avaliar a credibilidade de um resultado experimental, confrontando-o com previsões do modelo teórico, e discutir os seus limites de validade.

 

 Metas específicas

  • Medir a velocidade do som no ar (medição indireta).
  • Comparar o valor obtido para a velocidade do som com o tabelado, avaliar a exatidão do resultado e calcular o erro percentual.

 

 

Questões pré-laboratoriais

1. Com o objetivo de determinar experimentalmente a velocidade de propagação do som no ar, um grupo de alunos fez uma montagem como se apresenta na figura, utilizando um osciloscópio, dois microfones, uma mangueira e uma chapa metálica (fonte sonora) .

Os alunos começaram por ligar os dois microfones ao osciloscópio, tendo o cuidado de alinhar os microfones em cada uma das extremidades da mangueira, no decorrer das experiências que realizaram.

1.1. Indique a razão pela qual os alunos usaram os microfones.

1.2. Explique como se processa a propagação do som no ar, desde a fonte até ao recetor.

2. Quando está a trovejar, existe um método relativamente simples para perceber se a tempestade se está a aproximar ou se se está a afastar do local onde nos encontramos. Explique em que consiste esse método.

Atividade laboratorial

Material e equipamento por grupo de trabalho

• Osciloscópio

• Cabos de ligação

• Microfone

• Tubo com 120 cm tapado num dos lados

• 2 pedaços de madeira

• Sensor de temperatura

• Suporte universal. garra, nozes

• Régua

 

Procedimento experimental

• Meça o comprimento do tubo.

• Prenda a um suporte universal um tubo de PVC tapado numa extremidade.

• Na entrada do tubo coloque um microfone.

• Ligue o microfone à entrada de um osciloscópio com a função de disparo controlado por um nível de tensão ativada, NORM.

• Produza um sinal impulsivo forte com os pedaços de madeira perto do microfone (que deve ter um amplificador incorporado ou estar ligado a um amplificador) e observe o sinal originado.

• Se necessário, para observar o aparecimento do sinal, controle o nível de disparo, LEVEL.

• Ajuste os botões da base de tempo, TIME/DIV, e da tensão, VOLTS/DIV, de forma a obter no ecrã do osciloscópio a representação da onda sonora gerada.

• Observe e registe o que se visualiza no ecrã do osciloscópio.

• Com um termómetro meça a temperatura do ar e registe o seu valor.

 

Antes de começar tenha em atenção que:

• Deve ter em atenção a sensibilidade e o alcance dos diferentes instrumentos de medida utilizados.

• Deve exprimir as medidas com o número correto de algarismos significativos.

• O resultado da medição direta deve ser expresso em função do valor mais provável e da incerteza absoluta ou da incerteza relativa.

• A imagem no ecrã do osciloscópio pode necessitar de ajustes prévios. Se necessário, use os botões INTENS e FOCUS para o ajuste da intensidade e a focagem do feixe de eletrões, respetivamente.

• O microfone deve ter um amplificador incorporado ou estar ligado a um amplificador antes de o ligar ao osciloscópio.

• Deve manipular com cuidado e correção todo o equipamento.

• Deve cumprir as regras gerais de conduta no laboratório.

 

 

Registos efetuados

Exploração dos resultados

• Determine o valor mais provável do tempo de ida e volta do sinal sonoro no interior do tubo.

• Calcule a velocidade do som para cada um dos ensaios.

• Compare o valor obtido experimentalmente com os valores tabelados, à temperatura do ensaio.

• Avalie o erro percentual.

 

Questões pós-laboratoriais

1. Com o objetivo de determinar experimentalmente a velocidade de propagação do som no ar, um grupo de alunos usou um osciloscópio, um gerador de sinais, um altifalante, um microfone e uma fita métrica.

Os alunos colocaram o microfone e o altifalante um em frente do outro, a distâncias, d, sucessivamente maiores e mediram o tempo, t, que um sinal sonoro demorava a percorrer cada uma dessas distâncias.

O valor tabelado da velocidade de propagação do som no ar, nas condições em que foi realizada a experiência, é 343 m s-1.

1.1. Para realizarem a experiência, os alunos ligaram :

(A) o microfone ao gerador de sinais e o altifalante ao osciloscópio;

(B) o microfone ao osciloscópio e o altifalante ao gerador de sinais;

(C) o microfone e o altifalante unicamente ao gerador de sinais;

(D) o microfone e o altifalante unicamente ao osciloscópio.

1.2. Com os valores de distância , d, e de tempo, t, medidos experimentalmente, os alunos traçaram um gráfico no qual o inverso do declive da reta obtida foi identificado com o valor experimental da velocidade de propagação do som no ar.

Os alunos terão, assim, traçado um gráfico de:

(A) d em função de t;

(B) d em funcão de 1/t;

(C) tem função de d;

(D) tem função de 1/d.

1.3. O valor experimental da velocidade de propagação do som no ar, obtido pelos alunos, foi 339 ms-1.

Determine o valor correspondente ao erro relativo percentual associado ao valor calculado.

2. A velocidade do som no ar varia com a temperatura de acordo com a seguinte equação:

Vsom(ar) = 331 + 0,606 x ɵ, sendo ɵ a temperatura do ar, expressa em ºC.

2.1 . Determine o comprimento de onda de uma onda sonora de frequência 1100 Hz, quando a temperatura do ar é 35 ºC.

Apresente todas as etapas de resolução.

2.2. No ar e à temperatura de 20 ºC, um instrumento musical produz um sinal sonoro de frequência de 440 Hz e comprimento de onda 0,800 m.

2.2.1. Determine o período do sinal sonoro.

2.2.2. Determine a velocidade de propagação do referido sinal. Apresente o resultado em função do valor calculado e do erro relativo percentual.

3. O menor intervalo de tempo para que o cérebro humano consiga distinguir dois sons que chegam ao ouvido é, em média, de 100 ms. A este fenómeno dá-se o nome de persistência auditiva.

Qual é a menor distância a que podemos ficar de um obstáculo para ouvir o eco da nossa voz?

(A) 16,0 m

(B) 18,5 m

(C) 20,5 m

(D) 17,0 m

Dado: Velocidade do som no ar = 340 m s-1, à temperatura considerada.

 

Relatório

Deste relatório deve constar:

• o objetivo do trabalho;

• os fundamentos teóricos essenciais;

• o material utilizado;

• o procedimento experimental (mencionar apenas as fases mais importantes do trabalho);

• o esquema da montagem;

• os gráficos, registos e cálculos efetuados;

• possíveis causas de erros experimentais;

• conclusão e crítica dos resultados obtidos.

 

Atividade complementar

Realize a mesma atividade com tubos de diferentes comprimentos e de materiais diferentes.

Compare os valores experimentais obtidos, com os respetivos erros percentuais.

 

Algumas considerações:

Esta atividade pode ser realizada com recurso a uma calculadora gráfica e sensores.

Para tal, necessita de: tubo de cartão ou de PVC com cerca de 1,20 m de comprimento, microfone (sensor de pressão), analisador de dados, tampa metálica, suporte universal, garras e nozes, régua e calculadora.

Coloque o tubo na vertical, tapando-o numa das extremidades. Na outra extremidade, coloque o microfone, ligado ao analisador e à calculadora, e tape o tubo com a régua. Ligue a recolha de dados e produza um som impulsivo com a tampa metálica.

Observe no ecrã da calculadora o gráfico obtido e com base nele, determine o intervalo de tempo correspondente à emissão do sinal sonoro e à receção do sinal refletido.

O valor da velocidade do som será determinado pela razão entre o dobro do comprimento do tubo e o intervalo de tempo medido.

Poderá ainda recorrer a software digital, obtido na Internet gratuitamente, neste endereço: http://www.audacityteam.org/. Trata-se de um programa muito amigável, denominado Audacity, que permite estudar as características de um som e determinar a sua velocidade de propagação.

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