ITA 2011 — questão 20 de Física
Enunciado em texto
O aparato para estudar o efeito fotoelétrico mostrado na figura consiste de um invólucro de vidro que encerra o aparelho em um ambiente no qual se faz vácuo. Através de uma janela de quartzo, luz monocromática incide sobre a placa de metal e libera elétrons. Os elétrons são então detectados sob a forma de uma corrente, devido à diferença de potencial estabelecida entre e . Considerando duas situações distintas e , nas quais a intensidade da luz incidente em é o dobro do caso , assinale qual dos gráficos abaixo representa corretamente a corrente fotoelétrica em função da diferença de potencial.
[Figura: um invólucro de vidro (indicado "Invólucro de vidro") contém a placa P e o coletor Q; a luz incidente chega pela direita, através de uma janela. Um galvanômetro G está ligado em série com Q; a tensão V entre P e Q vem de um reostato (resistor com cursor) alimentado por uma pilha através de uma "Chave inversora de polaridade".]
[Os cinco gráficos têm no eixo vertical "Corrente Fotoelétrica (A)" e no horizontal "Tensão (V)"; cada um mostra duas curvas, a e b, que sobem e se estabilizam num patamar (corrente de saturação).]
A) [Gráfico: a curva a parte do eixo em e satura em ; a curva b parte de e satura em .]
B) [Gráfico: a curva a parte de e a curva b de ; as duas saturam no mesmo valor, .]
C) [Gráfico: as duas curvas partem do mesmo ponto ; a satura em e b em ; em tensão zero ambas já têm corrente não nula.]
D) [Gráfico: as duas curvas partem da origem (corrente zero em tensão zero); a satura em e b em .]
E) [Gráfico: as duas curvas partem de um mesmo ponto positivo; b satura em e a em .]
(Enunciado e figura: Vestibular ITA 2011, prova de Física — ITA.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem ao Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA).
Resolução comentada
O que a questão pede: o gráfico corrente × tensão correto para a mesma luz monocromática com intensidades 2 : 1.
Passo 1 — a corrente de saturação depende da intensidade. Com tensão bem positiva, todos os elétrons arrancados chegam a Q e a corrente se estabiliza. O número de elétrons arrancados por segundo é proporcional ao número de fótons por segundo, isto é, à intensidade (com a frequência fixa). Intensidade dobrada, corrente de saturação dobrada:
Passo 2 — o potencial de corte depende só da frequência. Para zerar a corrente é preciso uma tensão invertida (freadora) que pare até os elétrons mais rápidos. Pela equação de Einstein:
Ela não envolve a intensidade. Como a luz é a mesma (monocromática, mesma frequência) e o metal é o mesmo, as duas curvas se anulam no mesmo ponto, .
Passo 3 — em tensão zero já há corrente. Os elétrons saem de P com energia cinética, então parte deles chega a Q mesmo sem tensão aceleradora. O único gráfico com saturação 2 : 1, mesmo potencial de corte negativo e corrente não nula em V = 0 é o C.
Por que não as outras: A tem potenciais de corte diferentes (isso exigiria frequências diferentes). B tem a mesma corrente de saturação para intensidades diferentes. D não tem corrente em tensão zero nem região de tensão freadora. E começa numa tensão positiva e ainda inverte as intensidades (b com o dobro da corrente).
⚠️ A armadilha: pensar, como na física clássica, que luz mais intensa arranca elétrons com mais energia e marcar A (corte em para a luz mais forte). A intensidade muda quantos elétrons saem, não com que energia.
A ideia em uma frase: no efeito fotoelétrico, a intensidade controla a corrente de saturação e a frequência controla o potencial de corte.
Resposta: alternativa C (mesmo potencial de corte; saturação de a igual ao dobro da de b).
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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