PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 19 do IME 2020

Em um experimento, uma fonte laser emite um pulso luminoso instantâneo, que é refletido por um espelho plano (M_R), girando em velocidade angular constante \omega. Um outro espelho fixo, côncavo e circular (M_F), encontra-se acima da fonte laser, ambos localizados a uma distância L = 3\ \text{km} de M_R, conforme mostra a figura. O centro de curvatura (C) de M_F localiza-se no ponto onde a luz do laser encontra M_R e coincide com seu centro de rotação.
Dado:
- velocidade da luz: c = 3\ \text{x}\ 10^8\ \text{m/s}.
Observações:
- a posição de M_R e M_F são tais que o feixe consegue chegar a M_F, pelo menos, duas vezes; e
- despreze o comprimento da fonte laser.
Para que o pulso luminoso seja refletido em M_F pela 2a vez, a um comprimento de arco \Delta_s = 30\ \text{cm} do 1o ponto de reflexão, o valor de \omega, em rad/s, é:
- A1{,}25
- B2{,}50
- C3{,}33
- D5{,}00
- E10{,}00
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Resolução comentada
Esta é a ideia do experimento de Foucault. O pulso sai da fonte, chega a M_R em C, vai até M_F e volta a C. Como C é o centro de curvatura, o raio de luz volta pelo mesmo caminho e atinge M_R de novo. Nesse intervalo o espelho girou e o feixe segue para um novo ponto de M_F.
O pulso é instantâneo, então a luz percorre o trajeto de ida e volta enquanto o espelho gira.
-
Tempo de ida e volta C \to M_F \to C, com raio L = 3000\ \text{m}:
t = \frac{2L}{c} = \frac{2\cdot 3000}{3\times10^8} = 2\times10^{-5}\ \text{s} -
Ângulo entre os dois raios refletidos. Na primeira reflexão, o raio sai de C em direção a M_F. Na volta, o espelho girou \theta = \omega t. Quando o raio refletido gira 2\theta, o feixe sai 2\theta desviado do primeiro, pois girar o espelho de \theta desvia o raio refletido de 2\theta. Logo, o ângulo entre os dois pontos em M_F é
\alpha = 2\omega t -
Comprimento do arco com raio L:
\Delta s = L\alpha = 2L\omega t
0{,}3 = 2\cdot 3000\cdot\omega\cdot 2\times10^{-5} = 0{,}12\,\omega
\omega = 2{,}5\ \text{rad/s}
Alternativa B.
Pegadinha: A alternativa A engana quem esquece que o raio refletido gira o dobro do espelho; D engana quem usa só o tempo de ida.
Por que as outras alternativas estão erradas
- Aesquece o fator 2 do desvio do raio refletido (usa \alpha=\omega t com tempo certo), ou divide por 2 a mais.
- Cvalor sem base na relação \Delta s = 2L\omega t, vindo de erro de conta.
- Dusa tempo de ida só (L/c) com \alpha=\omega t duplicando incorretamente, dobrando o resultado.
- Eerra por fator 4, combinando tempo de ida simples com ausência do fator 2 do ângulo.
Assuntos: Reflexão da luz e espelhos planos, Movimento circular uniforme e transmissão de movimento.
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Fonte: IME 2020 · Prova objetiva. Prova oficial ↗