UNICAMP 2007 (2ª fase) — questão 11 de Física

Enunciado em texto
Uma gota de cola plástica à base de PVC cai sobre a superfície da água parada de um tanque, formando um filme sólido (camada fina) de espessura = 4,0 x 10⁻⁷ m. Dado: .
a) Ao passar de um meio de índice de refração para outro meio de índice de refração , um raio de luz é desviado de tal forma que , onde e são os ângulos entre o raio em cada meio e a normal, respectivamente. Um raio luminoso incide sobre a superfície superior do filme, formando um ângulo com a normal, conforme a figura abaixo. Calcule a distância que o raio representado na figura percorre no interior do filme. O índice de refração do PVC é .
(Figura: três meios em camadas horizontais: ar (1) em cima, o filme de PVC (2) de espessura no meio e água (3) embaixo. Um raio vem do ar, de cima para baixo e da esquerda para a direita, fazendo o ângulo com a normal tracejada; entra no PVC, desce até a interface PVC–água, reflete-se ali, sobe e sai de volta para o ar, num ponto à direita do de entrada, seguindo para cima e para a direita.)
b) As diversas cores observadas no filme devem-se ao fenômeno de interferência. A interferência é construtiva quando a distância percorrida pela luz no interior do filme é igual a , onde é um número natural ( = 0,1,2,3....). Neste caso, a cor correspondente ao comprimento de onda torna-se visível para raios incidentes que formam ângulo com a normal. Qual é o comprimento de onda na faixa visível do espectro eletromagnético (400nm - 700nm) para o qual a interferência é construtiva quando o ângulo de incidência é ?
(Enunciado e figura: Vestibular Unicamp 2007, 2ª fase — Comvest/Unicamp.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à UNICAMP.
Resolução comentada
O que a questão pede: (a) o caminho total do raio dentro do filme (descida e subida); (b) o comprimento de onda visível que sofre interferência construtiva para incidência a 30°.
Item (a) — Passo 1: o ângulo de refração no PVC. Pela lei de Snell, com o ar de índice 1:
Passo 2 — a geometria. Na descida, o raio percorre a hipotenusa de um triângulo cujo cateto vertical é a espessura l: o trecho mede . Na subida, outro trecho igual:
Item (b) — Passo 1: isolar λ. Da condição dada, com :
Passo 2 — testar os valores de k:
• k = 0: λ ≈ 2580 nm (infravermelho);
• k = 1: λ ≈ 860 nm (infravermelho);
• k = 2: λ ≈ 516 nm — dentro da faixa de 400 a 700 nm (verde);
• k = 3: λ ≈ 369 nm (ultravioleta).
Só k = 2 cai no visível: λ ≈ 5,2 × 10² nm.
Observação da banca: a condição exata de interferência construtiva é ; a do enunciado é uma aproximação para ângulos pequenos. A 30°, a diferença é de cerca de 11% (fator cos²θ₂ = 8/9), e a fórmula exata daria λ ≈ 4,6 × 10² nm, também no visível. A Comvest aceitou as duas.
⚠️ A armadilha: no item (a), contar só a descida (l/cos θ₂ ≈ 4,3 × 10⁻⁷ m) ou usar a espessura l como caminho. A figura mostra o raio indo e voltando dentro do filme: são dois trechos inclinados.
A ideia em uma frase: Snell dá o ângulo no filme, a geometria dá d = 2l/cos θ₂, e da condição d = (2k+1)λ/(2n₂) só um valor de k cai entre 400 e 700 nm.
Resposta: (a) d ≈ 8,6 × 10⁻⁷ m; (b) λ ≈ 5,2 × 10² nm (k = 2); pela fórmula exata, ≈ 4,6 × 10² nm, também aceita.
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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