FUVEST 2024 (2ª fase) — questão 6 de Física

Enunciado em texto
O fenômeno da aurora polar, há muito tempo conhecido nos hemisférios norte e sul do planeta Terra, caracteriza-se por um brilho observado no céu em decorrência de colisões entre os átomos da atmosfera, predominantemente oxigênio e nitrogênio, e as partículas (prótons e elétrons) lançadas por erupções solares e canalizadas pelo campo magnético terrestre.
a) Determine a velocidade (em m/s) de um próton com energia cinética de 3,2×10⁻¹³ J.
b) Considerando agora elétrons com velocidade de 1,6×10⁶ m/s e que descrevam órbitas circulares sob ação do campo magnético terrestre, cuja intensidade é de 10⁻⁴ T, calcule o módulo da força magnética atuando sobre cada elétron.
As diferentes cores observadas na aurora devem-se à emissão de fótons em processos de desexcitação de átomos presentes nas diferentes camadas da atmosfera. As cores mais comuns da luz associada a esses fótons são a verde e a vermelha, devido à predominância de oxigênio e nitrogênio nas altitudes de 200 km e 100 km, respectivamente.
c) Calcule (em joules) a variação da energia de um átomo quando este emite um fóton da cor verde.
Note e adote: 1eV = 1,6x10⁻¹⁹J; massa do próton = 1,6x10⁻²⁷ kg; massa do elétron = 9x10⁻³¹ kg; carga do elétron = 1,6x10⁻¹⁹ C; Comprimento de onda da luz verde: λ = 500 nm; Energia de um fóton de frequência : , onde = 6x10⁻³⁴ J.s; Velocidade da luz no vácuo: 3x10⁸ m/s; Um processo de desexcitação atômica envolve a passagem de um elétron de um nível atômico de energia mais alta para outro de energia mais baixa.
(Enunciado: Vestibular FUVEST 2024, 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) a velocidade de um próton com J de energia cinética; (b) a força magnética sobre um elétron em órbita circular no campo da Terra; (c) quanto muda a energia de um átomo que emite um fóton verde.
Item (a) — da energia cinética à velocidade. , então:
Isso é cerca de 7% da velocidade da luz, ainda dá para usar a fórmula clássica. (Em elétron-volts, essa energia é eV MeV.)
Item (b) — força magnética. Se o elétron descreve uma circunferência sob ação só do campo magnético, sua velocidade é perpendicular a (com uma componente paralela, a trajetória seria uma hélice). Então e:
Item (c) — a energia do fóton. O átomo perde exatamente a energia que o fóton leva. Com :
A energia do átomo diminui J, ou seja, J (cerca de 2,25 eV): o elétron desceu para um nível de energia mais baixa, como diz o “Note e adote”.
⚠️ A armadilha: no item (a), usar a massa do elétron (que está no mesmo quadro) em vez da do próton. No item (c), esquecer de converter nm para m ( m). No item (b), procurar um ângulo que o enunciado não deu: a palavra “circulares” já garante que .
A ideia em uma frase: energia cinética dá a velocidade, órbita circular garante , e a energia que o átomo perde ao emitir é a do fóton, .
Resposta: (a) m/s; (b) N; (c) a energia do átomo diminui J ( J).
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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