Laboratório virtual da velocidade do som: eco e microfones

Este laboratório virtual da velocidade do som reúne os dois métodos escolares clássicos para medir a velocidade do som no ar. Primeiro, os alunos cronometram o eco de uma parede a 50 m, uma vez com uma única palma e outra batendo 20 intervalos no ritmo do eco. Depois, colocam dois microfones a uma distância medida, leem o atraso entre os dois pulsos em um osciloscópio de dois canais e traçam Δt em função de d. A inclinação dá v. Erros aleatórios realistas mostram por que repetições e gráficos são melhores que uma leitura única. Todos os valores abaixo foram lidos na simulação.

Alinhamento com o currículo

• Cambridge IGCSE Physics 0625, 3.4 (Sound): um método que mede uma distância e um tempo para determinar a velocidade do som no ar.
• AQA GCSE Physics 8463, 4.6.1.2 (Properties of waves): descrever um método para medir a velocidade das ondas sonoras no ar.
• AQA A-level Physics 7408, 3.3.1.1 (Progressive waves): v = fλ, aqui como extensão, com ultrassom e um osciloscópio.

O Simulic não é afiliado à Cambridge University Press & Assessment nem à AQA, nem endossado por elas.

Antes do laboratório (5 min)

Peça aos alunos que se comprometam com uma previsão, no papel ou como pergunta 1 do link da turma:

"O microfone B é afastado do microfone A, de 0,80 m para 1,60 m. O que acontece com o atraso Δt entre os dois pulsos?"

Alguns alunos esperam que nada mude, porque "a velocidade do som é fixa".

Método na simulação

Parte A: eco (5 min)

1. Clique na aba Eco. Mantenha Temperatura do ar θ em 20 °C e Distância até a parede d em 50 m.
2. Clique em Bater palma uma vez e espere o cronômetro. Depois clique em Bater 20 intervalos. Repita as duas medidas mais uma vez. A tabela se preenche sozinha.

Método	N	T (s)	t = T/N (s)	v = 2d/t (m/s)
Um eco	1
Palmas no ritmo	20

Parte B: dois microfones (15 min)

1. Clique na aba Dois microfones. Mantenha Temperatura do ar θ em 20 °C e Base de tempo em 1 ms/div.
2. Ajuste Separação dos microfones d em 0,40 m e clique em Bater palma.
3. Deixe o Cursor 1 em 1,00 div, onde começa o pulso A. Mova o Cursor 2 para o início do pulso B (arraste-o na tela ou use o controle deslizante) e clique em Registrar.
4. Repita em 0,80; 1,20; 1,60 e 2,00 m. Leia a reta de ajuste abaixo da tabela.

d (m)	0,40	0,80	1,20	1,60	2,00
Δt (ms)
v = d/Δt (m/s)

Resultados esperados

• Eco, em uma página recém-aberta: um eco marcou 0,37 s (270 m/s), depois 20 intervalos marcaram 5,77 s (347 m/s). As repetições deram 0,34 s (294 m/s) e 5,65 s (354 m/s). A ida e volta real dura 0,29 s, então um tempo de reação de 0,1–0,2 s estraga a medida de um único eco.
• Dois microfones: leituras cuidadosas dos cursores deram Δt = 1,14; 2,34; 3,50; 4,68 e 5,84 ms. Os valores individuais de v foram 351, 342, 343, 342 e 342 m/s (média 344 m/s).
• Gráfico: uma reta com inclinação 2,935 ms/m e coeficiente linear −0,022 ms, então v = 1/inclinação = 341 m/s. O modelo dá 343 m/s a 20 °C.
• Em d = 1,00 m, em uma página recém-aberta, o pulso B começa 2,89 ms depois do pulso A.

Perguntas para os alunos

1. (Previsão, repetida depois do laboratório) O que acontece com Δt quando d dobra de 0,80 m para 1,60 m?
2. Qual variável deve ficar igual em todas as leituras?
3. Em d = 1,00 m, quanto vale Δt?
4. Que velocidade do som a inclinação do seu gráfico dá?
5. Por que cronometrar 20 intervalos de palmas é melhor que cronometrar um único eco?

Respostas para o professor: (1) Dobra, de 2,34 para 4,68 ms, porque Δt = d/v. (2) A temperatura do ar. (3) Aceite 2,82–3,00 ms. (4) Aceite 333–353 m/s. (5) O erro do tempo de reação no início e no fim é dividido entre 20 intervalos, então vira uma fração bem menor do tempo medido.

Erros conceituais comuns

• "O tempo do eco é o tempo para chegar à parede." O som vai e volta, então v = 2d/t, e não d/t.
• "Sons mais altos viajam mais rápido." A velocidade depende só do ar e da sua temperatura.
• "Uma leitura cuidadosa basta." Em 0,40 m, um erro de 0,03 ms é 2–3% de Δt; por isso esse ponto deu 351 m/s. Distâncias maiores e a inclinação reduzem o efeito.

Extensão

• Temperatura: em d = 1,00 m, ajuste Temperatura do ar θ em 0, 20 e 40 °C. Δt foi 3,02; 2,92 e 2,82 ms. Com Gráfico em v em função de θ, a reta teve inclinação de 0,59 m/s por °C e coeficiente linear de 331 m/s.
• Ultrassom em fase: na aba Ultrassom em fase (40 kHz), registre as posições em fase de R2 em 0; 8,5; 17,0 … 86,0 mm. O ajuste deu λ = 8,59 mm e v = fλ = 343 m/s.

Perguntas frequentes

O link da turma pode abrir com os ajustes certos?

Sim. Por padrão, ele abre na aba Dois microfones. Para garantir, ajuste Método em Dois microfones e um osciloscópio nos valores iniciais do link e fixe Temperatura do ar θ em 20 °C e Base de tempo do osciloscópio em 1 ms/div.

Todos os alunos vão obter os mesmos números?

Quase. Os erros aleatórios usam uma semente: recarregar a página ou clicar em Reiniciar repete a mesma sequência. Uma ordem diferente de palmas dá valores um pouco diferentes, por isso as perguntas 3 e 4 aceitam um intervalo.

Por que não usar uma base de tempo menor?

Com 0,5 ms/div as leituras são mais precisas, mas o pulso B sai da tela a partir de cerca de 1,5 m (a simulação avisa). Uma só base de tempo para todas as distâncias mantém o método simples.

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