UNICAMP 2019 (2ª fase) — questão 12 de Física

Enunciado em texto
a) Todos os corpos emitem radiação, e quanto maior a temperatura do corpo, maior a potência por ele radiada. Idealmente, os corpos que têm a capacidade de absorver toda a radiação que recebem são também os melhores emissores de radiação. Esses corpos são chamados de corpos negros e apresentam espectros de emissão de radiação que dependem somente de suas temperaturas. Além disso, o comprimento de onda de máxima radiação relaciona-se com a temperatura do corpo da seguinte forma: , sendo . O Sol tem um espectro de emissão similar ao espectro do corpo negro mostrado na figura A. Os valores de emitância estão divididos pelo valor máximo; já a escala de comprimentos de onda está em nanômetros (1,0 nm = m). Quanto vale a temperatura do corpo negro?
b) A separação da radiação luminosa nos diferentes comprimentos de onda é usualmente feita pelo emprego de uma grade de difração ou de um prisma. Quando um feixe luminoso incide numa das faces de um prisma, parte dele é refletida, e outra parte é refratada. Considere que o feixe luminoso, composto das cores azul e vermelha, incide na face do prisma conforme mostra a figura B. Trace os raios refletidos e os raios refratados na primeira face do prisma, lembrando que o índice de refração depende do comprimento de onda.
(Figura A: gráfico da emitância (dividida pelo valor máximo), de 0,0 a 1,0, em função do comprimento de onda λ (nm), de 0 a 1500. A curva é praticamente nula até cerca de 150 nm, sobe rapidamente até o máximo 1,0 em λ = 500 nm e depois cai devagar: cerca de 0,45 em 900 nm, 0,25 em 1200 nm e 0,14 em 1500 nm.)
(Figura B: não reproduzida aqui. Pelo enunciado, é um prisma de vidro sobre o qual um feixe de luz, composto das cores azul e vermelha, vindo do ar, incide obliquamente numa das faces.)
(Enunciado e figura: Vestibular Unicamp 2019, 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) a temperatura do corpo negro, a partir do pico do espectro; (b) o desenho dos raios refletido e refratados (azul e vermelho) na primeira face do prisma.
Item (a) — o pico no gráfico. A emitância é máxima (vale 1,0) em nm m. Pela lei de Wien dada:
É a ordem de grandeza da temperatura da superfície do Sol, como o enunciado sugere.
Item (b) — o raio refletido. A lei da reflexão vale igual para todas as cores: o ângulo de reflexão é igual ao de incidência. Então há um só raio refletido, com as duas cores juntas, saindo do outro lado da normal com o mesmo ângulo que o feixe incidente.
Item (b) — os raios refratados. Pela lei de Snell, : quanto maior o índice de refração do vidro, menor o ângulo de refração , ou seja, mais o raio se aproxima da normal. O índice do vidro é maior para o azul (menor comprimento de onda) que para o vermelho. Então, dentro do prisma, o feixe se separa em dois raios, ambos mais próximos da normal que o incidente:
• o azul, mais desviado, mais próximo da normal;
• o vermelho, menos desviado, entre o azul e o prolongamento do raio incidente.
O desenho que vale a pontuação: normal tracejada no ponto de incidência; raio refletido único, simétrico ao incidente em relação à normal; dois raios refratados para dentro do prisma, o azul formando com a normal um ângulo menor que o vermelho.
⚠️ A armadilha: separar também o raio refletido em azul e vermelho (a reflexão não depende do comprimento de onda), ou trocar as cores e desenhar o vermelho mais desviado. No item (a), ler o pico no eixo errado ou esquecer de converter nm em m.
A ideia em uma frase: pico do espectro dá a temperatura (Wien); na face do prisma, a reflexão é igual para todas as cores, mas a refração desvia mais o azul.
Resposta: (a) nm e K; (b) um único raio refletido (azul + vermelho) com ângulo de reflexão igual ao de incidência; dois raios refratados, ambos mais próximos da normal que o incidente, com o azul mais próximo da normal (mais desviado) que o vermelho.
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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