PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 1 (Física) da 2ª fase do IME 2019

Um conjunto óptico é formado por uma lente convergente e um prisma de Amici, conforme mostra a Figura 1. O conjunto está totalmente integrado, sendo formado pelo mesmo vidro. A lente possui centro óptico O e foco F situado sobre a face-hipotenusa do prisma. Nesse prisma, os raios incidentes sobre a face-hipotenusa sofrem reflexão interna total. Uma lanterna cilíndrica muito potente, com potência óptica de P = \pi\sqrt{3}\ \text{W} e diâmetro d = 10\ \text{cm}, gera raios de luz paralelos ao eixo principal da lente. A lanterna está solidária ao sistema óptico e seus raios são focalizados pela lente e refletidos pelo prisma, até a sua face-cateto plana, saindo do prisma e projetando a luz sobre um anteparo plano alinhado verticalmente. Conforme mostra a Figura 2, no intervalo 0 \le t < 12\ \text{s}, todo o conjunto óptico começa a girar, a partir do instante em que P coincide com T, em velocidade angular constante \omega = \pi/36\ \text{rad/s}. Dessa forma, o contorno da luz projetada no anteparo passa a ser uma curva plana, conhecida na matemática.
Diante do exposto, determine:
a) o ângulo de abertura \theta do cone formado na saída do prisma, quando o índice de refração do conjunto óptico é o mínimo para que o feixe luminoso seja totalmente refletido na face-hipotenusa;
b) a expressão da velocidade escalar v(t) com que o ponto P (interseção do eixo do cone com o anteparo) desloca-se verticalmente ao longo do anteparo; e
c) a densidade de potência, em \text{W/m}^2, da luz projetada no anteparo, em t = 9\ \text{s}. Neste caso, considere que todas as dimensões do prisma são muito pequenas em relação à distância para o anteparo, ou seja, o ângulo de abertura é \theta ao longo de todo o cone de saída, a partir de F.
Dados:
- o meio externo é o ar: n_1 = 1;
- \overline{\boldsymbol{OF}} = \overline{\boldsymbol{FA}} = 5(1 + 2\sqrt{2})\ \text{cm}; e
- a separação horizontal entre o foco F da lente e o anteparo, no ponto T, é \overline{\boldsymbol{FT}} = 10\ \text{m}.
Observação:
- a linha \overline{\boldsymbol{FP}}, prolongamento de \overline{\boldsymbol{FA}}, é o eixo do cone;
- o ângulo \theta é o ângulo entre o eixo e qualquer geratriz do cone de luz de saída do prisma; e
- desconsidere qualquer perda da intensidade luminosa ao longo de todo o percurso até o anteparo.
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Resolução comentada
a) Os raios extremos da lanterna entram na lente a d/2 = 5\ \text{cm} do eixo e convergem para F. Dentro do vidro, eles fazem com o eixo OF (vertical) um ângulo \alpha tal que
Na hipotenusa (a 45° da horizontal), o raio central incide a 45° e os raios extremos incidem a 45^\circ\pm\alpha. Depois da reflexão, o cone fica com eixo horizontal (FA) e semiabertura \alpha dentro do vidro.
A reflexão total vale para todos os raios se o menor ângulo de incidência, 45^\circ-\alpha, for pelo menos o ângulo crítico. Para o índice mínimo, ocorre a igualdade:
Na face vertical, a normal é horizontal, então o raio extremo incide com ângulo \alpha. Pela lei de Snell, \sen\theta=n\,\sen\alpha. Combinando com a condição anterior:
Logo \theta=30^\circ.
\theta = 30^\circ
b) O eixo do cone gira com \varphi=\omega t em relação à horizontal. Com FT=L=10\ \text{m}, a altura de P acima de T é
Derivando em relação ao tempo:
v(t)=\dfrac{5\pi}{18}\sec^2\!\left(\dfrac{\pi t}{36}\right)\ \text{m/s}, para 0\le t<12\ \text{s}
c) Em t=9\ \text{s}, \omega t=\pi/4, então o eixo do cone está a 45° da horizontal. A semiabertura é 30°, e 45^\circ+30^\circ<90^\circ, logo a mancha no anteparo é uma elipse.
Tome o vértice do cone em F, o anteparo em x=L e um ponto (L,z,y) do anteparo. O eixo é \vec u=(\cos45^\circ,0,\sen45^\circ). A condição de estar sobre o cone é \vec r\cdot\vec u=|\vec r|\cos30^\circ:
Simplificando:
Os semieixos são a=\sqrt3L e b=L. Como confere, as bordas em y=L\,\tg15^\circ e y=L\,\tg75^\circ dão eixo maior 2\sqrt3L.
A área é
Sem perdas, toda a potência P=\pi\sqrt3\ \text{W} chega ao anteparo, então
1\times10^{-2}\ \text{W/m}^2
Assuntos: Reflexão total e dispersão da luz, Movimento circular uniforme e transmissão de movimento, Refração da luz e lei de Snell.
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Fonte: IME 2ª fase 2019 · Física. Prova oficial ↗