FUVEST 2023 (2ª fase) — questão 5 de Física

Enunciado em texto
O efeito Doppler é caracterizado pela detecção de uma frequência diferente daquela emitida pela fonte, devido ao movimento relativo entre fonte e observador. Ele possui diversas aplicações, seja na medicina, astronomia ou ainda em sonares de velocidade, nos quais a velocidade de um objeto é medida comparando-se a frequência sonora emitida com aquela que é detectada.
Considere um sonar de velocidade que envia ondas sonoras de 0,10 MHz em direção a um veículo que se aproxima com velocidade desconhecida.
a) Calcule o comprimento de onda emitido pelo sonar.
b) Suponha que exista um detector de ondas sonoras no carro. Calcule a frequência detectada por este detector considerando que o carro se aproxima do sonar com velocidade de 30 m/s.
c) Encontre a velocidade do veículo sabendo que o sonar detecta uma frequência de 0,15 MHz refletida de volta, do carro para o sonar.
Note e adote: Considere a velocidade do som como 300 m/s. No efeito Doppler, a frequência detectada pelo observador e a frequência emitida pela fonte se relacionam de acordo com a expressão: , onde é a velocidade do som, é a velocidade do observador e é a velocidade da fonte de emissão. Os sinais "+" e "−" são escolhidos de acordo com o movimento relativo entre fonte e observador.
(Enunciado: Vestibular FUVEST 2023, 2ª fase — Fuvest/USP.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à FUVEST.
Resolução comentada
O que a questão pede: (a) o comprimento de onda do som do sonar; (b) a frequência que um detector no carro registra; (c) a velocidade do carro a partir da frequência do eco.
Item (a) — equação fundamental da onda. , com MHz Hz:
(É ultrassom: 100 kHz está muito acima do que o ouvido humano capta.)
Item (b) — observador que se aproxima. O sonar (fonte) está parado; o carro (observador) vem ao encontro da onda, então ele cruza mais frentes de onda por segundo: sinal no termo do observador.
Ou seja, Hz.
Item (c) — duas etapas. O eco sofre Doppler duas vezes:
1) na ida, o carro é observador que se aproxima de uma fonte parada: recebe ;
2) na volta, o carro reflete essa frequência e passa a ser fonte que se aproxima de um observador parado (o sonar): as frentes de onda ficam “espremidas”, sinal no termo da fonte.
Com :
São 216 km/h: um carro bem acima de qualquer limite de velocidade.
Conferindo: com 60 m/s, o carro recebe MHz e devolve MHz. Bate.
⚠️ A armadilha: aplicar o Doppler uma vez só. Tratando o carro só como observador, dá 150 m/s; tratando-o só como fonte, dá 100 m/s. O eco carrega os dois efeitos: o carro primeiro ouve e depois emite.
A ideia em uma frase: no radar sonoro, o alvo é observador na ida e fonte na volta, e a frequência do eco é .
Resposta: (a) m (3 mm); (b) MHz Hz; (c) m/s.
Vídeo em breve
A resolução em vídeo desta questão ainda não foi gravada. A explicação escrita acima está completa, passo a passo. Novos vídeos saem no canal do Professor Filatte.
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