PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 8 (Física) da 2ª fase do ITA 2022
Texto-base das questões 01 a 10 · Física
Quando necessário, considere as seguintes constantes:
Aceleração local da gravidade g = 10\ \text{m/s}^2. Velocidade da luz no vácuo c = 3{,}0\times 10^8\ \text{m/s}.
Massa molar do ar seco m_{\text{ar}} = 29\ \text{g/mol}. Massa molar da água m_{\ce{H2O}} = 18\ \text{g/mol}.
Constante de Rydberg R_y = 13{,}6\ \text{eV}.
Em um espectrômetro de massa, íons de massa m e carga q são acelerados de uma fonte S até uma fenda por uma diferença de potencial elétrico V. Assim que atravessam a fenda, acessam uma câmara na qual existe um campo magnético uniforme B\boldsymbol{\hat{z}}, perpendicular ao plano ilustrado pela figura abaixo. Em condições normais de funcionamento, os íons entram na câmara com velocidade perpendicular ao anteparo e têm o movimento completamente contido no plano da figura até atingir a placa detectora a uma distância horizontal x da fenda de entrada.
Contudo, verificou-se um desvio horizontal d_x nos valores esperados de suas medidas, resultando em uma distância x - d_x, associada a uma elevação vertical do ponto de detecção de d_z. Suspeita-se que as partículas carregadas tenham uma componente de velocidade vertical de tal forma que a velocidade de entrada das mesmas faz um ângulo \alpha com a direção normal ao anteparo. Assumindo essas considerações, calcule:
(a) \cos \alpha em termos de d_x, B, q, m e V;
(b) a distância d_z em termos de B, q, m, V e \alpha.

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Resolução comentada
a)
O íon sai da fonte com velocidade nula e é acelerado por V. Pela conservação de energia, qV=\frac{1}{2}mv^2, então:
Na condição normal, \vec v\perp\vec B e o movimento é uma semicircunferência de raio R=\dfrac{mv}{qB}. Logo:
Na condição defeituosa, a velocidade (de mesmo módulo v) faz ângulo \alpha com a normal ao anteparo. Ela se decompõe em:
- v\cos\alpha, no plano da figura, perpendicular a \vec B;
- v\,\sen\alpha, na direção z, paralela a \vec B.
A componente paralela a \vec B não sofre força magnética, então o movimento é uma hélice. A projeção no plano da figura é uma semicircunferência de raio r=\dfrac{mv\cos\alpha}{qB}. Assim, a distância horizontal atingida é:
Portanto:
Como mv=\sqrt{2qVm}:
\cos\alpha = 1-\dfrac{B\,d_x}{2}\sqrt{\dfrac{q}{2mV}}
b)
A componente v\,\sen\alpha é constante ao longo de z. O tempo até a placa é meia volta da projeção circular, ou seja, meio período, que independe de \alpha:
A elevação vertical é então:
Simplificando, \dfrac{m}{q}\sqrt{\dfrac{2qV}{m}}=\sqrt{\dfrac{2mV}{q}}, e fica:
d_z=\dfrac{\pi\,\sen\alpha}{B}\sqrt{\dfrac{2mV}{q}}
Assuntos: Força magnética, Potencial elétrico e energia potencial elétrica.
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Fonte: ITA 2ª fase 2022 · Física. Prova oficial ↗