Protocolo Laboratorial- 11 º ano AL 2.2. Velocidade de propagação do som

Física 11º ano Protocolo Laboratorial AL 2.2. Velocidade de propagação do som

Aceite para publicação em 7 de dezembro de 2018.

Publicação debaixo de uma Licença Creative Commons da Casa das Ciências

Albino Rafael Pinto – Agrupamento de Escolas da Lixa, Felgueiras albinorafaelpinto@gmail.com

Carlos Saraiva – Agrupamento de Escolas de Trancoso carlos.saraiva1@gmail.com

Atividade Laboratorial de Física e Química A 11º ano AL 2.2. Velocidade de propagação do som

Nome: _________________________________________ Grupo: ___ Nº ___ Turma: ___ Data: ___ /___ /______ Classificação: ________________________ Assinatura do Encarregado de Educação: ______________________

Objetivo Nesta atividade vamos determinar a velocidade de propagação de um sinal sonoro no ar.

1ª Parte Atividade laboratorial

Material necessário 

Software Soundcard Scope*;



2 Microfones;



2 Cabos de áudio (a adaptação destes cabos está detalhadamente explicada nas sugestões/notas para o professor);



1 Tampa metálica de um frasco (ou em alternativa dois objetos, por exemplo, pregos, ou blocos de madeira);



Computador;



Termómetro;



Fita métrica.

* Nas notas para o professor está o endereço do youtube do vídeo onde se explica como se instala e usa este programa.

1

Procedimento Atividade – Determinação da velocidade de propagação de um sinal sonoro usando o Soundcard Scope

1.

Ligar os dois microfones ao cabo áudio e este ao computador.

2.

Iniciar o programa Soundcard Scope e depois a opção “continue”.

3.

Clicar em “Maximizar” no canto superior direito da janela.

4.

Verificar se os dois canais estão selecionados. Um está identificado a verde e o outro a vermelho [ Channel 1 (left) e Channel 2 (right)].

5.

Montar a experiência, tal como se apresenta na figura.

Figura 1 – Montagem laboratorial.

6.

Afastar os microfones e medir a distância,

d , entre eles.

Registar esse valor na tabela apresentada no ponto 11. deste protocolo.

7.

Configurar o programa Soundcard Scope*.

* Nas sugestões/notas para o professor estão os passos necessários para configurar o programa.

2

8.

Produzir um som próximo do microfone 1 a uma distância de, aproximadamente, 50 cm. O sinal captado por cada um dos microfones vai ser registado pelo osciloscópio em dois canais diferentes e o indicador “Run/Stop” muda para verde escuro.

9.

Depois da imagem parar, clicar com o botão esquerdo do rato nas linhas verticais tracejadas e posicioná-las no pico de maior amplitude de cada canal. O intervalo de tempo,

∆ t , é automaticamente indicado no

ecrã. Registar na tabela este valor que corresponde ao tempo que o sinal demorou a percorrer a distância entre os dois microfones. Repetir o procedimento duas vezes e determinar o valor médio do tempo,

∆´ t .

Figura 2 – Sinal visualizado no osciloscópio digital para uma distância de 2 m.

10. Para fazer outra medição, basta clicar no botão “Run/Stop”, para que este fique com a cor verde clara, tal como se vê na figura.

3

11. Realizar mais quatro ensaios, alterando-se a distância entre os microfones e medindo-se os respetivos tempos. Registar na tabela seguinte os valores obtidos.

Ensaio

d /m

∆ t /¿ ms

∆´ t /s

1

2

3

4

5

4

2ª Parte Questões Pós-laboratoriais Responda às questões que se seguem.

1.

Obtenha, a partir da equação da reta que melhor se ajusta aos valores registados na tabela, o valor experimental da velocidade de propagação do sinal sonoro produzido. Utilize a calculadora gráfica. Apresente a respetiva equação.

2.

Qual seria o valor do intervalo de tempo medido, se os microfones se encontrassem afastados de 5,000 m?

Apresente o resultado com quatro algarismos significativos.

3.

Admita que o valor da velocidade do som, Celsius, através da expressão:

v , está relacionado com a temperatura do ar,

θ , em graus

v =331,4+0,6 θ (m s-1). Esta equação é uma boa aproximação à expressão

teórica, para valores que incluem a temperatura ambiente.

3.1. Indique o valor da temperatura a que se encontrava o laboratório, quando se realizou a atividade experimental. Tenha em atenção a incerteza associada à sua medição.

3.2. Calcule o valor teórico da velocidade de propagação do sinal sonoro, tendo em consideração a expressão que o relaciona com a temperatura.

3.3. Determine o erro relativo, em percentagem, do valor experimental da velocidade de propagação do som no ar. Faça um comentário crítico em relação à exatidão.

4.

Enquanto os alunos observavam o sinal registado pelo osciloscópio digital, um deles afirmou: “O som captado pelos microfones é periódico e harmónico.”

Comente a afirmação.

5.

Além do desfasamento temporal, há outro fator que permite associar os sinais visualizados no monitor do computador aos microfones 1 e 2. Indique esse fator e fundamente a sua resposta.

5

6.

Tendo em consideração a experiência realizada, selecione a alternativa que contém os termos que devem substituir as letras (a) e (b), de modo a tornar verdadeira a afirmação seguinte: Nesta atividade fez-se uma determinação ___(a)___ da distância e uma determinação ___(b)___ do valor experimental da velocidade do som no ar.

(A) … direta … direta …

(B) … direta … indireta …

(C) … indireta … direta …

(D) … indireta … indireta …

7.

Considere os resultados obtidos no primeiro ensaio. Se esse ensaio fosse realizado num dia em que a temperatura ambiente fosse superior, mas em que se mantivesse a distância entre os microfones, o intervalo de tempo medido pelo programa seria maior, menor ou igual? Justifique.

8.

A fita métrica usada estava graduada em cm. A figura representa a parte final dessa fita. Qual é o valor do alcance e a incerteza de leitura associada à escala dessa fita métrica?

9.

Selecione a alternativa que contém os termos que devem substituir as letras (a) e (b), de modo a tornar verdadeira a afirmação seguinte: Uma onda sonora que se propaga no ar é ___(a)___ e ___(b)___.

(A) ... mecânica ... transversal.

(B) ... mecânica ... longitudinal.

(C) ... eletromagnética ... transversal.

(D) ... eletromagnética ... longitudinal.

Algumas alíneas foram adaptadas do Livro “Exercícios de Física 11”, Albino Rafael Pinto, Carlos Saraiva e Sandra Soares, Raiz Editora, 2016.

6

Sugestões/notas para os professores 1.

Este protocolo foi preparado para determinar a velocidade de propagação do som e tem como base a atividade laboratorial AL 2.2. do programa do 11º ano. É acompanhado de uma apresentação em PowerPoint, onde estão incorporados alguns vídeos*.

2.

O Soundcard Scope (versão 1.46) é um software livre para fins educacionais e está disponível em: http://www.zeitnitz.de/Christian/scope_en. Este software transforma o computador num osciloscópio digital.

3.

A vantagem deste osciloscópio digital, em relação a um osciloscópio comum existente nos laboratórios de física, é que ele permite fixar o ecrã, parando a imagem, possibilitando, assim, uma análise mais cuidada das características de cada imagem observada, podendo ser desenhada numa folha de papel ou guardada em formato digital, como explicaremos mais à frente.

4.

Passos necessários para configurar o programa Soundcard Scope (a realizar, apenas uma vez, antes de se iniciar a atividade).

Começar por abrir o Soundcard Scope e clicar na cruz amarela, arrastando-a para o lado esquerdo do monitor, de modo a ficar a uma distância de, aproximadamente, duas quadrículas da linha central (Fig. 3). Este procedimento é muito importante, pois permite configurar o “Threshold”.

Figura 3 – Configurar o “Threshold” De seguida, alterar as configurações iniciais do Soundcard Scope (que vêm por defeito), clicando em “Auto”, depois selecionando “Single”, de seguida em “Status” para escolher “Cursors” e, por fim, selecionar “Time” (Fig. 4).

Figura 4 – Sequência de procedimentos para configurar o Soundcard Scope * Apenas PowerPoint 2013 e posterior. A versão do PowerPoint 2010 poderá reproduzir os vídeos se o computador tiver o QuickTime Player instalado.

7

Depois da configuração, o Soundcard Scope está preparado para registar o sinal produzido. No entanto, antes de se pressionar a tampa, é necessário que o indicador “Run/Stop” tenha a cor verde clara (Fig. 5).

Figura 5 – Soundcard Scope preparado para registar o sinal.

Depois de se produzir o som e ele ser registado pelo osciloscópio, o indicador “Run/Stop” muda para verde escuro (Fig.6).

Figura 6 – Soundcard Scope depois do sinal captado.

A imagem para no monitor e é possível ver dois sinais representados por cores diferentes, desfasados no tempo e com amplitudes também diferentes. Por fim, basta clicar nas linhas verticais tracejadas e posicioná-las no pico de maior amplitude de cada canal. O intervalo de tempo é automaticamente indicado no ecrã (fig. 7).

8

Figura 7 – Sinal visualizado no osciloscópio digital.

Caso se pretenda fazer outra medição, basta clicar no botão “Run/Stop”, para que fique novamente com a cor verde clara.

Fizemos um vídeo (vídeo 1), onde se explica como se faz a instalação do Soundcard Scope, e outro (vídeo 2) que explica como se configura o programa e se pode determinar o tempo que o sinal sonoro demora a percorrer a distância entre os microfones.

O vídeo 1 pode ser consultado em: https://youtu.be/02FcEihYxTA O vídeo 2 pode ser consultado em: https://youtu.be/B3xab7ecTN0

5.

Com o acessório do Windows “Ferramenta de recorte”

podemos copiar e colocar no

processador de texto (por exemplo, Word) as imagens observadas no ecrã do computador. No entanto, este osciloscópio digital tem a possibilidade de gravar as imagens dos sinais obtidos em dois formatos diferentes.

9

Estes gráficos podem ser usados pelos professores na elaboração de fichas de trabalho, por exemplo, para que os alunos calculem o tempo decorrido entre a passagem do sinal pelos microfones 1 e 2.

6.

Esta atividade também pode ser realizada, usando o programa Audacity. No artigo “Determinação do valor da velocidade do som no ar”, Carlos Saraiva e Albino Pinto, Gazeta de Física, Vol. 38, Nº 2, pp. 13-19, 2015, poderá encontrar as informações necessárias para usar o Audacity.

7.

Para que seja possível a realização desta atividade, é fundamental ligar dois microfones ao computador, de modo a que os sinais sejam detetados em dois canais diferentes, isto é, o microfone 1 deteta o som no primeiro canal e o microfone 2 deteta o som no segundo canal. Assim, é possível observar-se separadamente o sinal captado por cada um dos microfones. Para isso, é necessário adaptar dois cabos áudio de 3,5 mm como os da Figura 8. Os cabos devem ser cortados e dever-se-á retirar a camada protetora de plástico dos fios (Figura 9), para se proceder à ligação de dois cabos com fichas JACK fêmea a um cabo com ficha JACK macho.

Figura 8 – Dois cabos áudio de 3,5 mm.

Figura 9 – Cabos sem a camada protetora.

As ligações entre os cabos áudio estão esquematizadas na Figura 10. Depois de feitas as ligações, envolvemo-las com fita isoladora, para que fiquem mais robustas e isoladas. Os cabos adquiriram o aspeto apresentado na Figura 11, onde se observa uma ficha JACK macho ligada a duas fichas JACK fêmea.

10

Figura 10 – Esquema das Ligações entre os cabos.

Figura 11 – Aspeto final dos cabos ligados.

Para mais informações, visualizar o vídeo (vídeo 3) que se encontra no youtube em: https://youtu.be/NHkGXwaXVRQ

NOTA: Em alternativa podem ser usados os seguintes adaptadores:

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Metas específicas da atividade laboratorial de acordo com o PROGRAMA DE FÍSICA E QUÍMICA A 10º e 11º anos 

AL 2.2. Velocidade de propagação do som.

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

1.

Medir a velocidade do som no ar (medição indireta).

2.

Comparar o valor obtido para a velocidade do som com o tabelado, avaliar a exatidão do resultado e calcular o erro percentual.

Sugestões para o protocolo: 1.

A 1ª Parte (parte laboratorial) deverá ser feita em grupos de trabalho.

2.

As respostas às questões (parte pós-Laboratorial) deverão ser individuais, para permitir também uma avaliação mais individual dos alunos.

3.

Os professores devem garantir que os alunos registem individualmente todos os valores medidos durante as atividades, para que possam responder às questões pós-laboratoriais.

4.

A 1ª Parte (parte laboratorial) foi estruturada para uma aula de 90 min, em que os alunos estão divididos em grupos de 4 elementos. A 2ª Parte (parte Pós-Laboratorial) foi estruturada para uma aula de 45 min.

12

Resultados obtidos na 1ª Parte (Atividade laboratorial) Atividade – Determinação da velocidade de propagação de um sinal sonoro usando o Soundcard Scope O laboratório encontrava-se à temperatura de 25,0 ºC quando se realizou a atividade experimental.

Imagem obtida no primeiro ensaio.

Os valores medidos encontram-se registados na tabela seguinte: Ensaio

d /m

1

1,5000

2

2,0000

3

2,5000

4

3,0000

5

3,5000

∆ t /¿ ms 4,333 4,333 4,354 5,784 5,806 5,784 7,236 7,215 7,215 8,666 8,645 8,687 10,117 10,117 10,139

∆´ t /s −3

4,340 ×10

−3

5,791× 10

7,222× 10−3 −3

8,666 ×10

10,124 ×10−3

O vídeo 2 mostra o procedimento desta atividade.

13

Proposta de resolução da 2ª Parte (Questões Pós-Laboratoriais) Nota: Cerca de 50% da cotação poderá ser atribuída em função do interesse, empenho, preparação, participação na atividade prática e o cumprimento de regras gerais de conduta no laboratório. Os restantes 50% serão atribuídos às questões pós-laboratoriais.

1.

Introduzindo os valores da distância,

d , e do intervalo de tempo, ∆ t , na calculadora gráfica ou usando

um programa de computador (por exemplo, a folha de cálculo Excel) e procedendo à regressão linear, obtemos o gráfico seguinte:

A equação da reta que melhor se ajusta aos dados experimentais indica o declive 346,2 m s -1 (com quatro algarismos significativos), que corresponde ao valor da velocidade de propagação do som no ar.

20 pontos 2.

Considerando que o valor da velocidade de propagação do som no ar é 346,2 m s -1, o intervalo de tempo será:

v=

d d 5,000 ⇔ ∆ t= = =1,444 ×10−2 s ∆t v 346,2

20 pontos

14

3.

3.1. Como o termómetro é analógico, a incerteza associada à medição da temperatura é igual a metade da menor divisão da escala. A menor divisão da escala é 1 ºC, então a incerteza é 0,5 ºC. O laboratório encontrava-se à temperatura

θ= ( 25,0± 0,5 ) ºC, quando os ensaios foram realizados.

20 pontos

3.2. O valor da velocidade do som está relacionado com a temperatura através da expressão:

v =331,4+0,6 θ em que

m s-1

θ representa o valor da temperatura em graus Celsius.

Assim, o valor teórico da velocidade do som no ar, à temperatura de 25,0 ºC, será:

v teórico =331,4+ 0,6× 25,0=346,4

m s-1

20 pontos 3.3. O erro relativo em percentagem foi:

Er =

v experimental −vteórico 346,2−346,4 ×100 = ×100 =−0,06 v teórico 346,4

O erro percentual é

0,06 . O sinal negativo indica que o valor experimental é menor do que o valor

teórico.

Tendo em consideração que o erro percentual é muito pequeno ( 0,06 ), podemos afirmar que o valor obtido experimentalmente ( 346,2

m s-1) é concordante com o valor teórico ( 346,4

m s-1), por isso, a

exatidão foi elevada.

20 pontos 4.

A afirmação é falsa. O sinal não é periódico porque não se repete em intervalos de tempo regulares e não é harmónico porque não pode ser descrito por uma função sinusoidal. Trata-se de um sinal complexo porque resulta da sobreposição de vários harmónicos.

20 pontos

5.

A onda, ao propagar-se no ar, desloca-se em todas as direções desde o emissor ao recetor. Com o aumento da distância entre o emissor e o recetor, a mesma energia vai-se distribuir por uma área maior, logo a intensidade sonora vai diminuindo. Por isso, o som detetado pelo microfone 2 é mais fraco, uma vez que a sua distância ao emissor é maior. Assim, o sinal que corresponde ao microfone 2 é o de menor amplitude.

20 pontos

15

6.

A opção correta é a (B). A distância entre os microfones obteve-se por medição direta com a fita métrica. O valor da velocidade do som no ar foi determinado a partir de uma relação matemática entre a distância e o tempo.

10 pontos

7.

O valor da velocidade do som aumenta com a aumento da temperatura, de acordo com a expressão:

v =331,4+0,6 θ Como

m s-1.

∆ t=d / v , o intervalo de tempo seria menor, já que a distância permaneceu constante.

20 pontos 8.

O alcance é o valor máximo que um aparelho pode medir. Neste caso, o alcance da fita métrica é 500 cm. Nos instrumentos de medida analógicos, a incerteza de leitura corresponde a metade da menor divisão da escala (exceto se existir outra indicação do fabricante). A menor divisão da escala da fita métrica é 0,1 cm. Portanto, a incerteza é 0,05 cm.

20 pontos

9.

A opção correta é a (B). Os sinais sonoros são ondas mecânicas, pois necessitam de um suporte material para se propagarem. Quando se propagam nos gases e líquidos, são ondas longitudinais, porque a vibração ocorre ao longo da direção de propagação. Nos sólidos poderá ocorrer, também, vibração segundo a direção perpendicular à de propagação.

10 pontos

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Lista dos vídeos Vídeo 1 – Osciloscópio digital Soundcard Scope Disponível em: https://youtu.be/02FcEihYxTA Vídeo 2 – Configuração do programa Soundcard Scope e determinação do tempo que o sinal sonoro demora a percorrer a distância entre dois microfones.

Disponível em: https://youtu.be/B3xab7ecTN0 Vídeo 3 – Ligações dos cabos áudio Disponível em: https://youtu.be/NHkGXwaXVRQ

A velocidade do som no ar pode também ser calculada, medindo o comprimento de onda (medição direta) da onda produzida. No protocolo laboratorial AL 2. 1. Características do som, poderá encontrar as informações necessárias. Este protocolo está disponível no portal da Casa das Ciências em: https://www.casadasciencias.org/cc/redindex.php?idart=303&gid=40801487

Bibliografia A Time-of-Flight Method To Measure the Speed of Sound Using a Stereo Sound Card, Carlos C. Carvalho, J.M.B. Lopes dos Santos e M.B. Marques, The Physics Teacher, Vol. 46, pp. 428-431, October 2008.

Determinação do valor da velocidade do som no ar, Carlos Saraiva e Albino Pinto, Gazeta de Física, Vol. 38, Nº 2, pp. 13-19, 2015.

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