UEPG 2024 (Vocacionada) — questão 38 de Física

Enunciado em texto
Um dispositivo contendo emissor e detector de ultrassom é utilizado para medir distâncias entre esse dispositivo e objetos em repouso, além de medir a velocidade de objetos em movimento relativo a ele. Considere que a onda emitida e a refletida seguem o mesmo caminho, mas em direções opostas, em linha reta e que não há interferência entre elas. Sabendo que a potência da fonte emissora é de 100 mW, que a frequência real do ultrassom é de 30 kHz e que a velocidade do som no ar é de 340 m/s, assinale o que for correto.
(01) Se, para um objeto em repouso, localizado na frente do detector, a diferença de tempo entre o pulso emitido e o pulso detectado é de 10 ms, a distância entre o objeto e o dispositivo é de 1,70 m.
(02) A intensidade da onda, considerada esférica, para uma distância de m do dispositivo é de 1 mW/m².
(04) Para um objeto se aproximando do dispositivo a uma velocidade de 34 m/s, a diferença entre a frequência aparente e a real é de 3,5 kHz.
(08) A energia emitida pela fonte a cada minuto é de 6 J.
(16) Para um ouvido humano normal, a onda sonora emitida por esse dispositivo é inaudível.
(Enunciado: Vestibular 2023 (1ª etapa) UEPG — UEPG.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à Universidade Estadual de Ponta Grossa (UEPG), Coordenadoria de Processos de Seleção (CPS).
Resolução comentada
O que a questão pede: julgar cinco afirmações sobre um medidor de ultrassom de 100 mW e 30 kHz.
(01) Verdadeira. Em 10 ms o pulso vai até o objeto e volta: a distância é metade do percurso.
(02) Verdadeira. A potência se espalha numa esfera de área . Com :
Isso é 1 mW/m².
(04) Falsa. O objeto que se aproxima recebe uma frequência maior (é um observador indo em direção à fonte) e reflete a onda como uma fonte que se aproxima do detector. Nos dois passos, com v = 340 m/s e u = 34 m/s:
A diferença para a frequência real é de cerca de 6,7 kHz. (Mesmo considerando só uma das etapas, sairia 3,0 kHz ou cerca de 3,3 kHz; em nenhum caso 3,5 kHz.)
(08) Verdadeira. J.
(16) Verdadeira. O ouvido humano percebe aproximadamente de 20 Hz a 20 kHz; 30 kHz está acima: é ultrassom, inaudível.
⚠️ A armadilha: na (01), esquecer a ida e volta e responder 3,4 m. O tempo medido é o do eco: o dobro do tempo de ida.
A ideia em uma frase: eco mede ida e volta; a intensidade cai com 4πr²; e no radar de ultrassom o Doppler aparece duas vezes, na ida e na reflexão.
Resposta: soma 27 (01 + 02 + 08 + 16).
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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