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PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS

Questão 20 (Física) do ITA 2011

Física · Física: Física quântica: fóton e efeito fotoelétrico

Texto-base das questões 01 a 20 · Física

Aceleração da gravidade = 10\ \text{m/s}^2

Densidade da água = 1{,}0\ \text{g/cm}^3

Velocidade de som no ar = 340\ \text{m/s}

Comprimento de onda médio da luz = 570\ \text{nm}

O aparato para estudar o efeito fotoelétrico mostrado na figura consiste de um invólucro de vidro que encerra o aparelho em um ambiente no qual se faz vácuo. Através de uma janela de quartzo, luz monocromática incide sobre a placa de metal P e libera elétrons. Os elétrons são então detectados sob a forma de uma corrente, devido à diferença de potencial V estabelecida entre P e Q. Considerando duas situações distintas a e b, nas quais a intensidade da luz incidente em a é o dobro do caso b, assinale qual dos gráficos abaixo representa corretamente a corrente fotoelétrica em função da diferença de potencial.

Esquema experimental do efeito fotoelétrico em tubo de vácuo com placas P e Q, circuito elétrico com galvanômetro, divisor de tensão e chave inversora de polaridade.

  1. A
    Gráfico da Corrente Fotoelétrica em função da Tensão, em que a curva a parte de -2V_0 e atinge i_a = 2i_b, e a curva b parte de -V_0 e atinge i_b.
  2. B
    Gráfico da Corrente Fotoelétrica em função da Tensão, em que a curva a parte de -2V_0 e a curva b parte de -V_0, ambas atingindo a mesma corrente de saturação i_a = i_b.
  3. C
    Gráfico da Corrente Fotoelétrica em função da Tensão, em que ambas as curvas partem da mesma tensão de corte -V_0, com a curva a atingindo a corrente i_a = 2i_b e a curva b atingindo i_b.
  4. D
    Gráfico da Corrente Fotoelétrica em função da Tensão, em que ambas as curvas partem da origem (tensão zero), com a curva a atingindo i_a = 2i_b e a curva b atingindo i_b.
  5. E
    Gráfico da Corrente Fotoelétrica em função da Tensão, em que ambas as curvas partem de V_0 positivo, com a curva b atingindo i_b = 2i_a e a curva a atingindo i_a.
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Resolução comentada

No efeito fotoelétrico, cada fóton transfere energia hf a um elétron. A energia cinética máxima do elétron arrancado é E_c = hf - \phi, e ela depende só da frequência da luz e do metal, não da intensidade.

Aqui a luz é monocromática e a placa é a mesma nos casos a e b. Só a intensidade muda. Então:

  1. A energia cinética máxima dos elétrons é a mesma nos dois casos.
  2. O potencial de corte (tensão negativa que anula a corrente) vale V_0 = E_c/e, igual nos dois casos. As duas curvas partem do mesmo ponto -V_0, o que elimina as alternativas A e B, em que os cortes são diferentes.
  3. A intensidade é proporcional ao número de fótons por segundo, que é proporcional ao número de elétrons liberados por segundo. Com o dobro de intensidade, a corrente de saturação dobra: i_a = 2i_b.
  4. Para tensão positiva grande, todos os elétrons liberados chegam a Q e a corrente satura.

O gráfico correto tem as duas curvas começando no mesmo -V_0, com saturação i_a = 2i_b. A alternativa D coloca o corte na origem, o que é errado. A E tem corte positivo e inverte as correntes.

Alternativa C.

Pegadinha: As alternativas A e B enganam quem acha que maior intensidade aumenta a energia dos elétrons e, portanto, o potencial de corte; quem só olha a corrente de saturação pode ser levado também à D.

Por que as outras alternativas estão erradas

  • AAtribui potenciais de corte diferentes, como se a energia dos elétrons dependesse da intensidade da luz.
  • BAlém de cortes diferentes, iguala as correntes de saturação, quando a corrente deve dobrar com a intensidade.
  • DColoca o corte em tensão zero, mas elétrons com energia cinética ainda geram corrente com tensão negativa até -V_0.
  • EPõe o corte em tensão positiva e inverte a relação entre as correntes, dando mais corrente à luz menos intensa.

Assunto: Física quântica: fóton e efeito fotoelétrico.

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Ver como caiu na prova Questão 20 no caderno Física do ITA 2011

Fonte: ITA 2011 · Física. Prova oficial ↗