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FÍSICA GERAL E EXPERIMENTAL: ÓPTICA E ONDAS 1.1 - Ondas: conceito e classificação Sobre ondas mecânicas, é correto afirmar que: D. transportam energia e quantidade de movimento. Uma pessoa toca no piano tecla correspondente à nota mi e, em seguida, a que corresponde à sol. Pode-se afirmar que serão ouvidos dois sons diferentes porque as ondas sonoras correspondentes a tais notas têm: B. frequências diferentes. Diante de grande parede vertical, certo garoto bate palmas e recebe o eco um segundo depois. Se a velocidade do som no ar é 340m/s, o menino pode concluir que a parede está situada a uma distância aproximada de: D. 170m. Quando a tensão em uma corda é 100N, a velocidade de um pulso é 120m/s. Sabendo que nesse contexto a velocidade do pulso, quando a tensão for de 200N, será de: B. 169,7m/s. Uma corda elástica de 0,8g/cm3 de densidade e seção transversal de 0,5 cm2 é submetida à tensão de 100N. Em um extremo da corda, existe uma fonte que gera pulsos com frequência de 2000Hz. Nesse contexto, é correto afirmar que o comprimento do pulso que se propaga pela corda será de: C. 0,025m. 1.2 - Período de frequência e velocidade de uma onda Sobre ondas eletromagnéticas é correto afirmar que: A. são perturbações que se originam da vibração de um campo elétrico e magnético. Em relação aos fótons é correto afirmar que: B. são como pacotes de energia, responsáveis pela transferência de energia. Em relação ao espectro eletromagnético, é correto afirmar que: D. são um conjunto de ondas eletromagnéticas. Uma onda periódica produzida em uma corda tem frequência de 20 Hz e comprimento de onda de 2 m. Nesse contexto, é correto afirmar que sua velocidade é de: E. 40 m/s. Uma onda tem frequência de 10 Hz e se propaga com velocidade de 400 m/s. Então, é correto afirmar que seu comprimento de onda (em metros) vale: C. 40 m. 2.1 - Ondas eletromagnéticas e sonoras e sua interação com a matéria As ondas sonoras apresentam um comportamento diferente em cada meio em que se deslocam. Isso acontece porque elas são ondas mecânicas, ou seja, necessitam de um meio para propagação. Dessa forma, aponte em qual material o som se deslocará com maior velocidade. C. Osso. Onda é uma oscilação ou perturbação que se propaga no espaço carregando apenas energia, sem carregar matéria. Nesse contexto, qual é a relação entre a frequência e o comprimento de onda sonora? C. A frequência é inversamente proporcional ao comprimento de onda. Ondas eletromagnéticas podem ser categorizadas e organizadas de acordo com o comprimento de onda e a frequência. Essa organização é denominada espectro eletromagnético. Dentro das radiações do espectro eletromagnético, aponte a alternativa que melhor descreve a relação entre energia, velocidade, comprimento de onda e frequência. D. O aumento da frequência reduz o comprimento de onda e aumenta a energia transmitida pela radiação eletromagnética. Atualmente, os equipamentos de ressonância magnética mais utilizados são os que apresentam campo magnético de 1,5T. Eles trabalham com pulsos de radiofrequência com frequência aproximada de 63,87MHz. Diante disso, em qual elemento essa onda de rádio provoca o fenômeno de ressonância? C. Hidrogênio. A ressonância magnética foi um dos mais recentes métodos de diagnóstico por imagem desenvolvidos. O fenômeno da ressonância acontece com determinados elementos quando inseridos em um forte campo magnético e submetidos a ondas de rádio com frequências específicas para transferir energia para esses elementos. Em relação aos riscos do exame de ressonância magnética, aponte a alternativa correta: B. Os pulsos de radiofrequência podem causar queimaduras graves. 2.2 - Osciladores e o movimento harmônico simples No movimento harmônico simples, são definidas algumas grandezas físicas, como amplitude, frequência e período que caracterizam as oscilações. A grandeza que descreve o deslocamento máximo do objeto a partir da sua posição de equilíbrio é chamada de: C. amplitude. No estudo do MHS, é importante reconhecer e entender as equações que descrevem o movimento. Considere um corpo que apresenta oscilação em função do tempo descrita pela equação x(t) = 7,00cos (2πt + 0,75). Determine a velocidade e a aceleração desse corpo como função do tempo e os valores da posição, da velocidade e da aceleração para o tempo t=0. No MHS, a amplitude, a frequência e o período do movimento são grandezas que permitem diferenciar as características dos entes em movimento. É importante saber determinar essas grandezas tanto a partir da representação gráfica quanto da equação do movimento. Para um MHS determinado pela equação (t) = -7,00(m)cos (1,92t (rad/s) + 1,90 (rad)), quais grandezas físicas podem ser determinadas a partir dessa equação? E. 7,00m; 1,92rad/s; e 1,90rad. A análise gráfica é de extrema importância em qualquer área do conhecimento. Por exemplo, a partir dos gráficos que descrevem as funções de objetos realizando um MHS, é possível obter informações a respeito da magnitude das grandezas físicas envolvidas no movimento em questão. Assim, utilize o gráfico representado na figura para determinar a constante de fase do MHS realizado por um objeto que se movimenta na direção +x. A. φ = π/ 3. Tão importante quanto a leitura do gráfico é saber usar sua equação e as grandezas físicas que o descrevem para construí-lo. Considere um objeto que realiza um movimento harmônico com amplitude de 2,0cm, frequência de 2,0Hz e constante de fase de 2π/3. A partir desses valores, construa um gráfico da posição em função do tempo entre os tempos 0 e 1s. 3.1 - Luz e óptica: definições Analise as afirmações a seguir. I - Um raio de luz pode cruzar outro sem que a sua trajetória seja alterada. II - Para a óptica geométrica, a luz é tratada como uma onda. III - Para a óptica geométrica, a luz se propaga indefinidamente, a não ser que interaja com a matéria. Quais estão corretas? B. Apenas a I e a III. Relacione as imagens e os fenômenos nelas representados à respectiva óptica. Para a óptica geométrica, quais dessas afirmações são verdadeiras? I - A luz é uma onda. II - A luz, ao passar por uma fenda, difrata. III - Raio de luz é o que compõe um feixe de luz. Quais estão corretas, segundo a óptica geométrica? D. Apenas a III. Analise as afirmações a seguir. I – A luz sofre difração ao passar por uma fenda. II – A luz é uma onda. III – A luz sofre o fenômeno da interferência. Para a óptica ondulatória, quais estão corretas? E. A I, a II e a III. Analise as afirmações a seguir. I – Pode-se dizer que a luz é uma onda. II – A luz é composta por fótons. III – Com os fótons, é possível explicar corretamente o efeito fotoelétrico. Para a óptica quântica, quais estão corretas? A. Apenas a II e a III. 3.2 - Refração e reflexão Em virtude do modelo geométrico e ondulatório da luz, quando estudamos a óptica geométrica, sabemos que a velocidade da luz pode variar dependendo do meio no qual ela se desloca. Dessa forma, depende do material que está atravessando, o que, em óptica geométrica, é conhecido como índice de refração. Para fazer um cálculo prévio antes de um experimento de óptica, e a partir do conhecimento da velocidade da luz no vácuo e do índice de refração do vidro, qual é a velocidade com que a luz se desloca dentro do vidro? B. L = 200.000km/s. Em um experimento de óptica geométrica, um laser é apontado sobre uma lâmina de vidro de 2,54cm de espessura em um ângulo de 65º em relação à superfíciedo vidro, conforme a figura 1. Qual é o ângulo de difração θ2 do laser dentro do vidro? D. θ2 = 16,36º. Você coloca uma lâmpada no fundo de uma piscina de 2,5m de profundidade. A lâmpada direciona os seus raios principalmente para cima e para os lados da superfície, tal como apresentado na figura. Qual é o diâmetro da circunferência luminosa projetada na superfície da piscina? B. D = 5,7m. Você está estudando óptica geométrica e decide realizar um experimento em laboratório. Utilizando um laser, você aponta sobre uma lâmina de plástico poliestireno de 2,54cm de espessura em um ângulo de θ1=35º em relação à normal da superfície, conforme a figura. Qual é o desvio que apresenta o raio ao sair do poliestireno em relação à sua trajetória original? A. d = 2,72cm. Você dispõe de uma fibra óptica longa, cujo índice interno de refração é de n = 1,265. Ela não tem revestimento e está no ar circundante. Uma das extremidades da fibra óptica é polida, de forma que seja perpendicular à extensão da própria fibra. Assim, um laser incide um raio de luz bem no centro de seção circular da fibra óptica, conforme mostra a figura: De acordo com a situação problemática, qual é o ângulo máximo de incidência do raio de luz (θar) na fibra óptica, de forma que a luz consiga ser transportada e não absorvida durante o trajeto pela fibra óptica? E. θar ≤ 50,78º. 4.1 - Óptica geométrica em lentes Uma lupa de comprimento focal de 5cm é utilizada para observar uma formiga de cerca de 2mm de comprimento. Quando a lupa é colocada a 4cm de distância do inseto, qual o tamanho da imagem obtida? B. 1,0cm. Uma pessoa com miopia foi ao oftalmologista para analisar sua visão e definir a vergência atualizada das suas lentes de contato corretivas. O médico fez os exames e constatou a necessidade de lentes de -0,5 dioptrias para ambos os olhos. Sabendo que com as lentes ela enxerga perfeitamente, qual a distância máxima que o paciente ainda consegue enxergar com nitidez (ponto distante do olho)? C. 2m. Um objeto é posicionado na frente de uma tela a uma distância d=1,5m. Uma lente delgada convergente, de raio de curvatura de 30cm, é posicionada entre a tela e o objeto, conforme mostra a figura: Em qual(quais) posição(posições) a lente pode ser colocada para que a imagem do objeto seja projetada de forma nítida na tela? D. p=0,17m ou p=1,33m. Um objeto de 15cm de altura é posicionado à esquerda de um sistema de lentes, como ilustrado na figura, a 30cm da lente L1. A lente L1 é uma lente bicôncava, feita em policarbonato (n=1,58), com ambas as superfícies com raio de curvatura R=20cm. Já a lente L2 é uma lente convergente, biconvexa, de comprimento focal f=30cm e distante 40cm à direita de L1. Qual a distância (d) da imagem final em relação ao objeto? E. d = 1,43m. Um sistema de lentes com distância x ajustável de uma câmera fotográfica é construído com uma lente convergente e outra divergente, como ilustrado na figura: Sabendo que a distância focal f1 = 20cm e f2 = -30cm, qual é o efeito produzido com a variação da distância entre as lentes, partindo de x = 100mm até x = 50mm? A. Ao diminuir a distância entre as lentes, há aumento da distância focal efetiva do conjunto de 25cm para 35cm, diminuindo o ângulo de visão e aumentando o zoom da câmera. 4.2 - Óptica geométrica em espelhos 1. Analise as afirmações acerca espelhos planos: I – Em um espelho plano, as imagens são reais. II – Em um espelho plano, as imagens parecem serem formadas atrás dele. III – Em um espelho plano, não há inversão entre esquerda e direita. Quais estão corretas? B. Apenas a II. 2.Suponha um espelho esférico convergente. Se a distância do objeto é de 0,1 m e a da imagem é de 0,2 m, qual é a distância do foco? (para respostas em formato decimal, apresente-as com duas casas decimais.) D.f=6/90 m 3. Suponha um espelho esférico, diga o que se pode afirmar em cada caso de acordo com as informações dada. I – di=0,4 m do =0,8 m II – m= - 0,25 A. Em I, a imagem é reduzida e invertida; em II, também. 4. Quais afirmativas sobre aberração esférica e espelhos parabólicos são verdadeiras? I – Raios paralelos ao eixo óptico não necessariamente são refletidos para o foco. II – Para raios de luz distantes do eixo óptico as equações dos espelhos esféricos não necessariamente são válidas. III – Espelhos parabólicos sofrem os efeitos da aberração esférica. Assinale a alternativa que contém todas as afirmações corretas. C . I e II 5. Em um espelho esférico divergente, um objeto é colocado a 0,25 m do espelho, que tem um raio de curvatura de 2 m. Qual é a distância da imagem? (Expresse sua resposta em número decimal, com duas casas decimais.) E. d i=-0,20 m COMPLEMENTARES Movimento ondulatório Unidimensional A figura a seguir representa o deslocamento, em x = 0, do meio por onde uma onda se propaga uma onda senoidal com velocidade de propagação v = 5,0 m/s. O número de onda e a velocidade angular desta onda valem, respectivamente: D. 2,09 m-1 e 10,5 rad/s Uma onda senoidal tem função de onda dada por: y (x, t) = (0,0600 m) sen [ (12,5 m -1) x + (4,00 πs -1) t ] Pode-se dizer que: B. O período desta onda vale 0,500 s, o seu comprimento de onda vale 0,503 m e ela viaja no sentido negativo do eixo x. Clara e Jonier conversam utilizando um telefone de lata, que consiste em duas latas de conserva ligadas por um barbante de 20,0 m de comprimento. O barbante está tencionado em 5,00 N e a sua densidade linear vale 2,00 g/m. Quando Jonier fala, a Clara ouve a onda sonora que se propagou através do barbante (onda 1 ) e através do ar (onda 2 ). Considerando que a velocidade do som no ar vale 340 m/s, pode-se dizer que: E. Clara irá ouvir a onda que se propagou pelo ar 0,34 segundos antes da onda que se propagou pelo barbante . Uma onda progressiva propaga-se ao longo de uma corda no sentido positivo do eixo x a 20 m/s. A frequência desta onda é de 40 Hz. No instante e posição iniciais (t = 0 e x = 0), a velocidade da onda é de 2,0 m/s e o deslocamento transversal é y = 5,0 mm. Sabendo que velocidade de uma onda é derivada da função y ( x,t ) em relação ao tempo e é dada por v ( x,t ) = - ω Acos ( kx - ωt + φ0 ), a função y ( x,t ), em unidades do SI, para esta onda é: C. y ( x,t ) = 9,41 X 10-3 sen (12,6x - 80πt + 2,58) Uma massa m está presa ao teto por meio de um arame, como na figura. Você perturba este arame em um ponto logo acima da massa m e um pulso de onda se propaga pelo arame até o teto, reflete-se e retorna à massa. Suponha que haja outro arranjo igual, exceto pelo objeto suspenso, de massa 4m, e compare quanto tempo o pulso de onda leva para percorrer a trajetória de ida e volta no arame nos dois casos. Considere que o arame tem massa muito menor que a massa dos blocos e que ele não se deforma significativamente com a suspensão das massas. A. O tempo que o pulso leva para percorrer a trajetória no segundo arranjo é a metade do tempo que o pulso leva para percorrer a mesma trajetória no primeiro arranjo. Movimento ondulatório bidimensional 1. Analise as afirmações a seguir sobre o vetor de propagação e assinale a única alternativa correta. B. Uma onde bidimensional é uma onda onde não conseguimos colocar os vetores de propagação em uma direção, somente em várias direções de um plano. 2. Assinale a alternativa correta relacionada às ondas planas. D. Sob certas condições, podemos tratar uma onda tridimensional como plana. 3. Podemos considerar a luz do Sol que chega na Terra como uma luz plana, ou seja, ela é igual em toda área do topo da atmosfera terrestre, sendo apenasmodificada no caminho da atmosfera até o chão. Qual é a justificativa para isso? A. Devido à grande distância do Sol à Terra, toda luz que chega no planeta é como se tivesse vindo em linha reta. 4. Você e seu amigo estão a 10 metros um do outro e no meio de vocês há um lago. Vocês planejam calcular a velocidade de propagação da onda nesse lago. Para isso, vocês atiram diversas pedras no lago, até que em uma região, quando a segunda frente de onda chega em seu amigo, a primeira frente chega em você. Vocês fazem uma medida aproximada e acham que a região está a 3 metros dele e 7 a metros de você. Usando esses dados, qual é o comprimento da onda? C.4 metros. 5.Uma onda bidimensional se forma no centro de um lago com formato de quadrado e se propaga com velocidade de 1m/s. Se leva 2 segundos para a primeira frente de onda atingir um lado, quanto tempo levará para a primeira frente de onda atingir a diagonal do quadrado? A. 2,82 segundos. Interferência e efeito Doppler 1.Na área de engenharia elétrica, os estudos de telecomunicações vêm sendo mais dedicados a ampliar a capacidade de ondas para mandar sinais de boa qualidade a distâncias maiores. Caso isso não seja possível, deve-se fazer o uso de equipamentos para replicar o sinal ou de antenas mais próximas com o mesmo sinal. Porém, é necessário um sincronismo nesse envio de ondas. Considerando que duas antenas emitam ondas eletromagnéticas com frequências de 2,4GHz e de 2,5GHz. Qual a frequência aparente da superposição dessas ondas e qual fenômeno pode ser percebido? A. 2,45GHz; fenômeno de batimento (fbat = 100 kHz). 2. O fenômeno de batimento é percebido quando duas fontes de ondas têm frequências próximas. Esse fenômeno tem como característica a variação da intensidade ao longo do tempo, tendo assim uma frequência própria. Considerando dois alto-falantes que emitem sons com frequências de 20 e de 40Hz, qual será o período e o comprimento de onda do batimento resultante dessas duas ondas sonoras (considere a velocidade do som como 340m/s)? B. 0,05s e 17m. 3. Veículos de emergência utilizam sirenes e fontes luminosas para alertarem que estão com pressa quando realizam ultrapassagens de veículos e para prevenção de acidentes, em um cruzamento por exemplo. Imagine que um caminhão de bombeiros, que tem uma sirene com frequência de 400Hz, passe em alta velocidade (34,3m/s) por um observador em repouso. Qual será a frequência aproximada da sirene percebida quando o caminhão estiver se afastando do observador (considere a velocidade do som no ar igual a 343m/s)? C. 363,63Hz. 4. Trios elétricos são caminhões montados com vários alto-falantes e sistemas de alimentação para ir guiando uma micareta ou algum festival pelas ruas, como se fosse um show itinerante. Imagine que um instrumento musical esteja tocando a uma frequência f0. Para que um observador parado perceba esse som a uma frequência de 2.f0, é necessário que o caminhão esteja se aproximando ou se afastando? A qual velocidade? D. Aproximação, vsom/2 5. Os procedimentos de decolagem e de pouso de aviões geram variações nas frequências sonoras percebidas por pessoas que estão no solo. Considerando que um avião se aproxima para pouso com uma frequência do ruído das turbinas no valor de 1.000Hz percebida no solo e quando decola; quando se afasta, ele tem frequência de 800Hz. Qual a velocidade do avião? Considere a velocidade do som no ar igual a 340m/s. E. 136km/h. Modelo ondulatório e geométrico da luz 1 Considere os fenômenos a seguir. I – A luz sendo usada para extrair informações de um DVD. II – A luz atravessando uma janela de vidro. III – A reflexão do céu em um lago. Dos fenômenos descritos, quais estão relacionados à óptica geométrica? E. e) Apenas a II e a III. 2. Dos fenômenos listados a seguir, quais são característicos de estudo da óptica ondulatória? I – O arco-íris, já que parece uma onda. II – A luz polarizada pela reflexão devido ao ângulo de Brewster. III – A luz colorida que se vê em uma bolha de sabão. Quais estão corretas? D. d) Apenas a III. Observe os dois experimentos a seguir. Há dois resultados possíveis para cada experimento, um para cada modelo óptico estudado. Você deve relacionar o modelo ao resultado. A) A luz atravessa uma porta, vai até uma parede ao fundo e I – somente há luz no formato da abertura da porta; II – há luz com um máximo central na abertura da porta e se observa máximos e mínimos de intensidade de luz na mesma parede. B) Ao se iluminar uma bolha de sabão com luz branca, vê-se I – a luz branca refletida; II – diversas cores na bolha. Os modelos que correspondem ao experimento 1 situação I, 1 situação II, 2 situação I, 2 situação II são: B . b) A - I) óptica geométrica; II) óptica ondulatória; B - I) óptica geométrica; II) óptica ondulatória. 4. Os modelos ópticos são usados para explicar os fenômenos físicos que nos rodeiam. Por isso, como é possível um míope, que quando olha para uma lâmpada a vê difusa, conseguir enxergar normalmente apenas colocando sua mão na frente do olho e formando uma pequena fenda circular por onde a luz passará? Qual modelo explica essa situação? C. c) Segundo o modelo geométrico, a fenda limita a quantidade de luz que passará para o olho e os raios que entram serão focados corretamente pelo olho. 5. Um CD, um DVD, ou um Blu-Ray são dispositivos explicados pela óptica ondulatória. Qual alternativa explica o princípio em comum por trás desses dispositivos? A. a) O princípio de funcionamento é que uma luz, normalmente monocromática, atinge uma grade e lá ela difrata. Então, o padrão de difração é lido pelo dispositivo que o interpreta como uma informação. Fenômeno da luz 1. Conforme visto no estudo sobre formação das cores, se analisarmos um pedaço de tecido de cor vermelha em uma sala iluminada com luz na cor azul, esse mesmo tecido parecerá: A. preto. 2. Ainda sobre o estudo das cores, as folhas de uma árvore, quando iluminadas pela luz do Sol, mostram-se verdes. Por quê? A. Porque refletem difusamente a luz verde do espectro solar. 3. As antenas de emissoras de rádio emitem ondas eletromagnéticas que se propagam na atmosfera com a velocidade da luz (3,0.105 km/s) e com frequências que variam de uma estação para a outra. Uma rádio específica emite uma onda de frequência 90,5 MHz e comprimento de onda aproximadamente igual a? B. 3,3 m. 4.Levando em conta o estudado até aqui sobre luz e cores, pode-se afirmar que: C.A frequência da luz é diretamente proporcional à sua velocidade de propagação. 5. Em 1895, o físico alemão Wilheim Conrad Roentgen descobriu os raios X, que são usados principalmente na área médica e industrial. Esses raios são: C. ondas eletromagnéticas de frequências maiores do que as das ondas ultravioletas.
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