UNICAMP 2020 (2ª fase) — questão 14 de Física

Enunciado em texto
Filtros ópticos têm muitas aplicações: óculos de sol, equipamentos fotográficos, equipamentos de proteção individual (EPI) em atividades profissionais etc. A densidade óptica de um filtro (OD) é definida por , sendo a transmitância óptica, que é dada pela razão entre a intensidade luminosa transmitida e a intensidade incidente. Nas máscaras de soldador, bem como naquelas usadas para a observação direta do Sol durante um eclipse, são necessários filtros de densidades ópticas muito elevadas, ou seja, filtros que transmitem muito pouca luz, tanto na região visível (de 400 nm a 700 nm) quanto no ultravioleta e no infravermelho.
a) No espaço de resposta, apresenta-se um gráfico da densidade óptica em função do comprimento de onda para vários filtros, sendo que para cada um deles a densidade óptica na região visível é aproximadamente constante. Quanto vale a transmitância para nm do filtro de na região visível?
b) A água é um bom filtro óptico no infravermelho próximo, e tem um pico de absorção em comprimentos de onda ligeiramente inferiores a 3,0 μm. A energia do fóton é dada por , em que J·s é a constante de Planck, e é a frequência da onda eletromagnética. Quanto vale a energia do fóton absorvido no comprimento de onda μm?
*A velocidade da luz no vácuo vale m/s.
(Gráfico: densidade óptica, de 0,0 a 1,2, em função do comprimento de onda (nm), de cerca de 300 a 1050, com seis curvas. Todas sobem muito abaixo de 400 nm. Entre 400 e 700 nm cada uma é quase horizontal, nos patamares de cerca de 0,8, 0,5, 0,4, 0,3, 0,2 e 0,1. Acima de cerca de 750 nm todas sobem: a de 0,8 sai do gráfico perto de 780 nm e a de 0,5 perto de 840 nm; a do patamar 0,4 passa por cerca de 0,67 em 800 nm, 0,84 em 840 nm e 1,0 em 900 nm; a do patamar 0,3 passa por cerca de 0,7 em 900 nm; a do patamar 0,2, por cerca de 0,5 em 900 nm; e a do patamar 0,1, por cerca de 0,3 em 900 nm.)
(Enunciado e figura: Vestibular Unicamp 2020, 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 fração da luz de 900 nm que atravessa o filtro cuja OD no visível é cerca de 0,4; (b) a energia de um fóton de 3,0 μm.
Item (a) — achar a curva certa. O filtro “de OD ~ 0,4” é identificado pelo seu patamar na região visível (400 a 700 nm). Seguindo essa curva para a direita, ela sobe no infravermelho e, em nm, chega a:
Item (a) — da OD para a transmitância. Invertendo a definição :
Item (b) — a frequência. Para uma onda eletromagnética, , então . A energia do fóton fica:
⚠️ A armadilha: no item (a), usar , o valor do visível, e responder . O 0,4 só serve para escolher a curva; em 900 nm a densidade óptica desse filtro é bem maior. Esse foi o erro mais comum, segundo a banca. No item (b), esquecer que 1 μm m.
A ideia em uma frase: escolha a curva pelo patamar do visível, leia a OD em 900 nm e faça ; a energia do fóton é .
Resposta: (a) , logo (10%); (b) 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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