Ficha nº1 : Exames e TI (2006 – 2011)
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Ficha nº1
Exercícios de exames e testes intermédios (2006 – 2011)
11ºano – Física – Domínio 2 – Subdomínio 3 (Ondas eletromagnéticas)
1. (2007 – 1ªF) Nas comunicações a longas distâncias, a informação é transmitida através de radiações electromagnéticas que se propagam, no vazio, à velocidade da luz.
1.1. Um dos suportes mais eficientes na transmissão de informação a longas distâncias é constituído pelas fibras ópticas.
1.1.1. Seleciona a alternativa que completa corretamente a frase seguinte.
O princípio de funcionamento das fibras ópticas baseia-se no fenómeno da…
(A) … refração da luz.
(B) … reflexão parcial da luz.
(C) … difração da luz.
(D) … reflexão total da luz.
- Opção (D)
⇒ A utilização de fibras ópticas justifica-se pela fácil e eficiente propagação da luz, com muito pouca absorção.
Contudo, esta propriedade não faz parte da lista de opções apresentadas.
⇒ Na fibra óptica, a luz está confinada ao seu interior, já que não existe refração, pelo que as hipóteses (A) e (B) ficam eliminadas (fala-se aí em reflexão parcial que, não sendo um termo de utilização consagrada, pressupõe que ocorra alguma refração).
⇒ O fenómeno da difração não ocorre na fibra.
⇒ O revestimento da fibra tem de ser tal que não permita que a fibra possa ter curvas de pequeno raio. Só assim se garante que sempre que haja reflexão esta seja total.
- Opção (D)…………. 8 pontos
1.1.2. Num determinado tipo de fibra óptica, o núcleo tem um índice de refração de 1,53, e o revestimento possui um índice de refração de 1,48.
Seleciona a alternativa que permite calcular o ângulo crítico, θc, para este tipo de fibra óptica.
- Opção (B)
⇒ O ângulo crítico, θc, é o ângulo de incidência para o qual o ângulo de refração é igual a 90º.
- Opção (B)…………. 8 pontos
1.2. As microondas constituem um tipo de radiação eletromagnética muito utilizado nas telecomunicações.
Indica duas propriedades das microondas que justificam a utilização deste tipo de radiação nas comunicações via satélite.
⇒ A radiação eletromagnética propaga-se em linha reta, sendo pouco absorvida na atmosfera. A reflexão de microondas também não se dá nas interfaces de separação de meios opticamente diferentes da atmosfera. Também não difratam, pelo que emissor e recetor devem estar em linha de vista.
Nota: as microondas têm frequência relativamente elevada, suportando uma modulação de frequência com larguras de banda relativamente grandes, o que permite o carregamento de muita informação. Este facto deveria também ser considerado como correto (embora não figure nos critérios de correção).
2. (2008 – 1ªF) O desenvolvimento das fibras ópticas, na segunda metade do século XX, revolucionou a tecnologia de transmissão de informação.
2.1. Uma fibra óptica é constituída por um filamento de vidro ou de um material polimérico (núcleo), coberto por um revestimento de índice de refração diferente.
A luz incide numa extremidade da fibra, segundo um ângulo adequado, e é guiada ao longo desta, quase sem atenuação, até à outra extremidade.
Escreve um texto no qual faça referência aos seguintes tópicos:
• uma das propriedades do material do núcleo da fibra óptica, que permite que a luz seja guiada no seu interior, quase sem atenuação;
• o fenómeno em que se baseia a propagação da luz no interior da fibra óptica; as condições em que esse fenómeno ocorre.
⇒ Numa fibra óptica, a luz que incide numa extremidade é guiada ao longo da fibra, praticamente sem atenuação até à outra extremidade.
⇒ Tal deve‐se ao facto do núcleo da fibra ser feito de um material com elevada transparência, o que permite à luz atravessá‐lo sem ser absorvida, e com um índice de refração elevado (mais elevado do que o revestimento), o que permite a ocorrência de reflexões totais na superfície núcleo revestimento.
⇒ É a ocorrência da reflexão total da luz que permite à luz atravessar a fibra sem escapar através do revestimento. Este fenómeno ocorre apenas quando o índice de refração do núcleo é superior ao índice de refração do revestimento.
⇒ Quando isso se verifica, existe um ângulo de incidência, denominado ângulo crítico, a partir do qual não ocorre refração através da superfície de separação dos meios e a luz é totalmente refletida.
- A resposta deve contemplar os seguintes tópicos:
⇒ O material do núcleo da fibra óptica deve apresentar elevada transparência (ou baixa capacidade de absorção da luz) ou o material do núcleo da fibra óptica deve apresentar elevado índice de refração.
⇒ A luz propaga-se no interior da fibra óptica porque ocorre reflexão total.
⇒ O fenómeno da reflexão total ocorre quando o índice de refração do núcleo é superior ao do revestimento e quando o ângulo segundo o qual a luz incide na superfície de separação núcleo-revestimento é superior ao ângulo crítico.
A classificação da resposta a este item é feita em função do enquadramento da mesma num dos níveis de desempenho, de acordo com a tabela seguinte:
* Descritores apresentados no segundo quadro da página C/3 dos critérios gerais de classificação.
2.2. Nas comunicações por fibras ópticas utiliza-se frequentemente luz laser.
A figura 6 representa um feixe de laser, muito fino, que se propaga no ar e incide na superfície de um vidro.
Tendo em conta a situação descrita, seleciona a alternativa correta.
(A) O ângulo de incidência é de 30º.
(B) O ângulo de incidência é de 55º.
(C) O ângulo de refração é de 60º.
(D) O ângulo de refração é de 35º.
- Opção (D)
⇒ O ângulo de incidência é definido pela direção do feixe incidente com a normal à superfície de separação dos dois meios.
⇒ O meio incidente é o ar, logo o ângulo de incidência é igual a
- 90º – 30º = 60º
⇒ O ângulo de refração é definido pela direção de propagação do feixe refratado e pela normal.
⇒ O feixe refratado propaga-se no vidro, então, o ângulo de refração é igual a
- 90º – 55º = 35º
- Opção (D)…………. 5 pontos
3. (2009 – 1ªF) A luz proveniente das estrelas dispersa-se, ao entrar num prisma, devido ao facto de a velocidade de propagação da luz, no material constituinte do prisma, depender da frequência da radiação.
Consequentemente, o índice de refração da luz nesse material também irá depender da frequência da radiação.
3.1. O gráfico da figura 1 representa o índice de refração da luz, n, num vidro do tipo BK7, em função do comprimento de onda, λ, da luz no vazio.
Considera um feixe de luz monocromática, de comprimento de onda 560 x 10–9 m, no vazio, que incide sobre a superfície de um prisma de vidro BK7, de acordo com o representado na figura 2.
Determina o ângulo de refração correspondente a um ângulo de incidência de 50,0º.
Apresenta todas as etapas de resolução.
nar (índice de refração da luz no ar) = 1,000
⇒ Para determinar o ângulo de refração pedido pode usar-se a Lei de Snell – Descartes.
⇒ Aplicada a esta situação, essa lei permite escrever:
- nar sin αincidência = nvidro sin αrefração
O gráfico permite obter o valor do índice de refração no vidro, da radiação com o comprimento de onda referido:
- nvidro = 1,518
Substituindo os valores na expressão obtém-se:
- nar sin αincidência = nvidro sin αrefração ⇔ 1,000 x sin 50º = 1,518 x sin αrefração ⇔ sin αrefração = 0,505 ⇔ αrefração = 30,3º
- A resolução deve apresentar, no mínimo, as seguintes etapas:
⇒ Obtém, por leitura do gráfico, o valor do índice de refração, no vidro, da radiação considerada (n = 1,518).
⇒ Calcula o ângulo de refração pedido (α = 30,3º).
A classificação da resposta a este item é feita em função do enquadramento da mesma num dos níveis de desempenho, de acordo com a tabela seguinte.
3.2. Indica, justificando, se uma radiação de comprimento de onda 560 x 10–9 m sofre difração apreciável num obstáculo cujas dimensões sejam da ordem de grandeza de 1 m.
⇒ O fenómeno de difração tem mais significado quando o obstáculo é da mesmo ordem de grandeza do comprimento de onda, o que não é o caso (560 x 10–9 m << 1 m).
⇒ Neste caso, a difração não teria significado apreciável.
- A resposta deve referir os seguintes elementos:
⇒ A radiação considerada não sofre difração apreciável num obstáculo com as dimensões referidas.
⇒ Não ocorre difração apreciável, uma vez que as ordens de grandeza do comprimento de onda da radiação e das dimensões do obstáculo considerado são muito diferentes.
A classificação da resposta a este item é feita em função do enquadramento da mesma num dos níveis de desempenho, de acordo com a tabela seguinte.
4. (2009 – 2ªF) A determinação correta de uma posição, usando o sistema GPS, requer que o satélite e o recetor estejam em linha de vista.
Selecione a única alternativa que permite obter uma afirmação correta.
O sistema GPS utiliza, nas comunicações, radiações na gama das microondas, porque estas radiações …
(A) se refletem apreciavelmente na ionosfera.
(B) são facilmente absorvidas pela atmosfera.
(C) se propagam praticamente em linha reta, na atmosfera.
(D) se difratam apreciavelmente, junto à superfície terrestre.
- Opção (C)
⇒ As radiações de microondas não sofrem difração na atmosfera, pelo que se propagam em linha reta.
⇒ Se fossem apreciavelmente refletidas ou absorvidas na atmosfera não serviriam para o pretendido.
- Opção (C)…………. 5 pontos
5. (2009 – EE) Seleccione a única alternativa que permite obter uma afirmação correcta.
Um sinal electromagnético enviado da Lua quando esta se encontra a 3,84 x 108 m da Terra atinge o nosso planeta após um intervalo de tempo de…
(A) 0,00 s.
(B) 0,78 s.
(C) 1,28 s.
(D) 2,56 s.
- Opção (C)
⇒ d = 3,84 x 108 m
⇒ c = 3,0 x 108 m s-1
- d = c Δt ⇔ 3,84 x 108 = 3,0 x 108 x Δt ⇔ Δt = 1,28 s
- Opção (C)…………. 5 pontos
6. (TI – 11/02/2010) O primeiro satélite artificial da Terra, o Sputnik 1, enviava sinais electromagnéticos, de frequências 20 MHz e 40 MHz, que foram detectados por radioamadores de diversos países.
Seleccione a única opção que permite obter uma afirmação correcta.
No vácuo, esses dois sinais teriam…
(A) o mesmo comprimento de onda e a mesma velocidade de propagação.
(B) comprimentos de onda diferentes e a mesma velocidade de propagação.
(C) o mesmo comprimento de onda e velocidades de propagação diferentes.
(D) comprimentos de onda e velocidades de propagação diferentes.
- Opção (B)
- f1 = 20 MHz;
- f2 = 40 MHz
⇒ Como ambos os sinais eletromagnéticos se propagam no vácuo, apresentam o mesmo valor de velocidade.
⇒ Como a relação entre o comprimento de onda e a frequência é λ = v/f , conclui-se que os sinais apresentam comprimentos de onda diferentes, pois o valor de v é o mesmo e os valores de f são diferentes.
- Opção (B)…………. 8 pontos
7. (TI – 11/02/2010) Quando um feixe luminoso incide na superfície de separação de dois meios transparentes, ocorrem, entre outros, fenómenos de reflexão e de refracção.
A Figura 5 representa um feixe luminoso, muito fino, que incide na superfície de separação de dois meios, I e II.
Seleccione a única opção que identifica correctamente os meios I e II, tendo em conta os valores de índice de refracção, n, listados na Tabela 3.
(A) I – óleo ; II – água.
(B) I – óleo ; II – ar.
(C) I – ar ; II – vidro.
(D) I – ar ; II – óleo.
- Opção (D)
⇒ α1 = 30º
⇒ α2 = 23º
Recorrendo à Lei de Snell-Descartes para a refração, determina-se a relação entre os índices de refração de ambos os meios.
⇒ Desta relação e de acordo com os valores de n listados na tabela, conclui-se que o meio I é o ar e o meio II é o óleo.
- Opção (D)…………. 8 pontos
8. (TI – 30/04/2010) Leia o seguinte texto.
Maxwell (1831-1879) previu a existência de ondas electromagnéticas, que seriam originadas por cargas eléctricas em movimento acelerado. Previu ainda que estas ondas deveriam propagar-se no vácuo à velocidade da luz.
De 1885 a 1889, Hertz conduziu uma série de experiências que lhe permitiram não só gerar e detectar ondas electromagnéticas, como medir a sua velocidade de propagação, confirmando, assim, as previsões de Maxwell. Estes estudos abriram caminho ao desenvolvimento dos modernos sistemas de telecomunicações.
Ao conjunto das ondas electromagnéticas, ordenadas segundo as suas frequências, chama-se espectro electromagnético, que pode ser representado como mostra a Figura 1.
As ondas electromagnéticas usadas em telecomunicações apresentam comportamentos distintos na atmosfera, consoante a sua frequência. Algumas contornam facilmente obstáculos, como edifícios e montanhas, podendo ser usadas para comunicações fora da linha de vista.
8.1. Seleccione a única opção que permite obter uma afirmação correcta.
Maxwell previu que as ondas luminosas seriam ondas electromagnéticas porque, de acordo com o trabalho por ele desenvolvido, as ondas electromagnéticas…
(A) seriam originadas por cargas eléctricas em movimento rectilíneo uniforme.
(B) poderiam ser usadas em sistemas de telecomunicações.
(C) apresentariam comportamentos distintos na atmosfera.
(D) se propagariam no vácuo à velocidade da luz.
- Opção (D)
⇒ De acordo com o parágrafo 1 do texto, Maxwell apenas previu que as ondas eletromagnéticas seriam originadas por cargas elétricas em movimento acelerado, que se propagariam no vácuo à velocidade da luz.
- Opção (D)…………. 8 pontos
8.2. Seleccione a única opção que identifica o fenómeno a que se refere a última frase do texto.
(A) Refracção
(B) Reflexão
(C) Difracção
(D) Dispersão
- Opção (C)
⇒ A difração é um fenómeno ondulatório que se caracteriza por ondas contornarem obstáculos, desde que o seu comprimento de onda seja da ordem de grandeza das dimensões desses obstáculos.
- Opção (C)…………. 8 pontos
8.3. A Figura 2 representa um feixe luminoso monocromático, muito fino, que incide na superfície de separação de dois meios transparentes, I e II, sofrendo refracção.
Seleccione a única opção que contém os termos que preenchem, sequencialmente, os espaços seguintes, de modo a obter uma afirmação correcta.
O índice de refracção do meio I é ________ ao índice de refracção do meio II, sendo a velocidade de propagação do feixe luminoso _______ no meio I .
(A) superior … maior
(B) inferior … menor
(C) inferior … maior
(D) superior … menor
- Opção (C)
⇒ Como:
- n1 sin α1 = n2 sin α2
⇒ Como da figura 2 se verifica que α1 (meio I) é superior a α2 (meio II), então:
- sin α1 > sin α2 ⇒ n1 < n2
⇒ O índice de refração de um meio, n, relaciona a velocidade de propagação da radiação nesse meio, v, com a velocidade de propagação no vazio, c, através da expressão:
- n = c/v ⇔ c = n v
- n1 v1 = n2 v2
- n1 < n2
⇒ v1 > v2
- Opção (C)…………. 8 pontos
9. (2010 – 1ªF) A distância Terra – Lua foi determinada, com grande rigor, por reflexão de ondas electromagnéticas em reflectores colocados na superfície da Lua.
Considere um feixe laser, muito fino, que incide sobre uma superfície plana segundo um ângulo de incidência de 20., sendo reflectido por essa superfície.
Selecione a única opção que representa correctamente a situação descrita.
- Opção (D)
⇒ Os ângulos de incidência e de reflexão são iguais.
⇒ Os ângulos são medidos com a direcção perpendicular ao refletor.
- Opção (D)…………. 5 pontos
10. (2010 – 2ªF) A velocidade de propagação de uma radiação monocromática na água em fase líquida é cerca de 3/4 da velocidade de propagação dessa radiação no vácuo.
Selecione a única opção que apresenta um valor aproximado do índice de refração da água em fase líquida, para aquela radiação.
(A) 0,75
(B) 1,33
(C) 2,25
(D) 1,20
- Opção (B)
⇒ Por definição de índice de refracção, vem:
- Opção (B)…………. 5 pontos
11. (2010 – EE) O pH da água da chuva pode ser medido com sensores, instalados em balões meteorológicos que recolhem amostras de água na atmosfera.
Os dados recolhidos pelos sensores são enviados para uma estação em terra, por meio de ondas rádio.
11.1. Na Figura 2, as setas representam o sentido de propagação de uma onda que incide num obstáculo com um pequeno orifício.
Identifique o fenómeno ondulatório esquematizado na Figura 2.
- Difração
⇒ A difração é um fenómeno que permite às ondas contornar obstáculos, observando-se também quando incidem em pequenos orifícios ou fendas, com dimensões da ordem de grandeza do comprimento de onda.
- Difração …………. 5 pontos
11.2. Entre a estação em terra, onde os dados são recebidos, e a estação onde é feito o seu tratamento, a informação é transportada através de fibra ótica, por sucessivas reflexões totais.
Indique as duas condições que têm de se verificar para que ocorra a reflexão total da radiação.
⇒ Para que ocorra reflexão total é necessário que o meio de propagação da radiação no núcleo da fibra ótica seja constituído por um material transparente de índice de refração superior ao do material do meio transparente que envolve o revestimento.
⇒ É também necessário que o raio ao propagar-se no meio oticamente mais denso, o núcleo, ao incidir na superfície de separação (núcleo-revestimento), defina um ângulo de incidência superior ao ângulo crítico, de modo que a refração não ocorra, mas sim a reflexão total da radiação.
- A resposta deve abordar os seguintes tópicos:
⇒ O índice de refracção do núcleo tem de ser superior ao índice de refracção do revestimento da fibra.
⇒ O ângulo de incidência tem de ser superior ao ângulo crítico.
A classificação da resposta a este item é feita em função do enquadramento da mesma num dos níveis de desempenho, de acordo com a tabela seguinte.
12. (TI – 11/02/2011) Fez-se incidir um feixe laser sobre um paralelepípedo de vidro, segundo um ângulo de incidência de 20º.
Verificou-se que o ângulo de refração foi de 14º.
Selecione a única opção que esquematiza corretamente o trajeto do feixe laser na passagem do ar para o vidro.
- Opção (A)
⇒ O ângulo de incidência e o ângulo de refração são definidos pela normal no ponto de incidência e, respetivamente, pelo raio incidente e pelo raio refratado.
⇒ Da análise das opções apresentadas, verifica-se que na (B) o ângulo de refração está incorreto (definido pelo raio refratado e a superfície de separação e os dois meios), na (C) o ângulo de incidência não está correto (definido pelo raio incidente e pela superfície de separação dos dois meios) e na (D) ambos os ângulos estão incorretamente definidos, pelo que se conclui que a única opção que pode esquematizar corretamente o trajeto do feixe laser na passagem do ar para o vidro é a (A).
- Opção (A)…………. 8 pontos
13. (TI – 11/02/2011) A reflexão total é um fenómeno ótico muito utilizado na comunicação de informação a longas distâncias.
Refira as duas condições que devem ser garantidas para ocorrer a reflexão total.
⇒ Para que ocorra reflexão total é necessário que o meio de propagação da radiação (por exemplo, o núcleo de uma fibra ótica) seja constituído por um material transparente de índice de refração superior ao do material do meio transparente que o envolve (por exemplo, o revestimento de uma fibra ótica).
⇒ É também necessário que o raio, ao propagar-se no meio oticamente mais denso (núcleo) ao incidir na superfície de separação (núcleo-revestimento), defina um ângulo de incidência superior ao ângulo crítico, de modo que a refração não ocorra, mas sim a reflexão total da radiação.
- A resposta deve apresentar os seguintes tópicos:
A) O material onde a luz se está a propagar deve ter um índice de refração superior ao do material envolvente.
B) O ângulo de incidência tem de ser superior ao ângulo crítico.
A classificação da resposta a este item é feita em função do enquadramento da mesma num dos níveis de desempenho, de acordo com a tabela seguinte.
14. (TI – 05/05/2011) A Figura 4 representa um feixe, muito fino, de luz monocromática, que incide na superfície de separação de dois meios transparentes, I e II, cujos índices de refração são, respetivamente, nI e nII.
Se a luz se propagar com maior velocidade no meio II, o ângulo de refração será
(A) maior do que o ângulo de incidência, uma vez que nI > nII .
(B) menor do que o ângulo de incidência, uma vez que nI > nII .
(C) maior do que o ângulo de incidência, uma vez que nI < nII .
(D) menor do que o ângulo de incidência, uma vez que nI < nII .
- Opção (A)
⇒ meio I:
- vI – velocidade de propagação;
- αI – ângulo de incidência;
- nI – índice de refração;
⇒ meio II:
- vII – velocidade de propagação;
- αII – ângulo de refração;
- nII – índice de refração;
vII > vI
⇒ O índice de refração de um dado meio ótico é igual à razão entre a velocidade de propagação da luz no vazio, c (constante) e a velocidade de propagação nesse meio, v:
⇒ Como vII > vI, conclui-se que nI > nII, pelo que se eliminam as opções (C) e (D).
⇒ Para comparar os ângulos de incidência e de refração, recorre-se à Lei de Snell-Descartes para a refração:
nI sin αI = nII sin αII
⇒ Uma vez que nI > nII, então sin αII > sin αI e, consequentemente, αII > αI, isto é, o ângulo de refração é maior do que o ângulo de incidência.
- Opção (A)…………. 8 pontos
15. (2011 – 2ªF) O espectro da luz visível pode ser obtido fazendo incidir radiação solar num prisma de vidro.
Admita que o índice de refração, n, do vidro de que é constituído um prisma é 1,51 para uma radiação vermelha e 1,53 para uma radiação violeta.
Conclua, justificando, qual destas radiações se propaga com maior velocidade no interior do prisma.
⇒ A velocidade de propagação de uma dada radiação num certo meio é inversamente proporcional ao índice de refracção desse meio para essa radiação, uma vez que:
- n = c/v
⇒ O índice de refracção do vidro para a radiação vermelha é menor do que para a radiação violeta, logo a velocidade de propagação da radiação vermelha no vidro é maior.
- A resposta deve apresentar os seguintes tópicos:
A) O índice de refração de um meio para uma dada radiação é dado pelo quociente entre a velocidade de propagação da luz no vácuo e a velocidade de propagação daquela radiação no meio considerado.
ou
O índice de refração de um meio para uma dada radiação é inversamente proporcional à velocidade de propagação dessa radiação naquele meio.
B) [Sendo o índice de refração para a radiação vermelha inferior ao índice de refração para a radiação violeta,] conclui-se que é a radiação vermelha que se propaga com maior velocidade no interior do prisma.
A classificação da resposta a este item é feita em função do enquadramento da mesma num dos níveis de desempenho, de acordo com a tabela seguinte.
