PRÁTICA COM QUESTÕES OFICIAIS
Questão 13 do ITA 2027
Texto-base das questões 13 a 24 · 1ª fase
Quando e se necessário, use as seguintes informações:
Aceleração local da gravidade g = 10\text{ m/s}^2.
Densidade da água, \rho_{água} = 1\ g/cm^3.
Calor latente da água, L_{água} = 334\ J/g.
Constante de Stefan-Boltzmann, \kappa = 5{,}7 \times 10^{-8}\text{ Wm}^{-2}\text{K}^{-4}.
Emissividade para qualquer material presente nas questões, \varepsilon = 1.
Relação entre o índice de refração n de um meio e as constantes de permeabilidade \mu_r e permissividade \varepsilon_r relativas é dada por: n^2 = \mu_r\ \varepsilon_r.
As interações fundamentais da natureza podem ser interpretadas como sendo mediadas pela troca de partículas. A interação eletromagnética, por exemplo, é mediada pelo fóton, a interação fraca pelos bósons W^\pm e Z^0 e a interação forte por glúons. Dentro do núcleo, prótons e nêutrons interagem via interação forte que, de forma efetiva para esse tipo de sistema, é modelada pela troca de mésons. O píon (ou méson \pi) é uma partícula que foi experimentalmente identificada em 1947 por um grupo de pesquisadores do qual fazia parte o brasileiro César Lattes. Seja m a massa de um certo méson cujo alcance característico da interação é r. Se essa massa está relacionada apenas com a constante de Planck reduzida \hbar = h/(2\pi), com a velocidade da luz c e com r, determine a expressão para m dimensionalmente compatível com essas grandezas.
- A\dfrac{\hbar}{cr}.
- B\dfrac{\hbar c}{r}.
- C\dfrac{\hbar}{c r^2}.
- D\dfrac{\hbar c}{r^2}.
- E\dfrac{\hbar}{c^2 r}.
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Resolução comentada
Análise dimensional: supomos m = k\,\hbar^a c^b r^c e comparamos as dimensões de cada lado.
Dimensões das grandezas:
- [\hbar] = \text{J}\cdot\text{s} = \text{kg}\,\text{m}^2\text{s}^{-1}
- [c] = \text{m}\,\text{s}^{-1}
- [r] = \text{m}
- [m] = \text{kg}
Como [\hbar] é a única grandeza que contém massa, e com expoente 1 em kg, devemos ter a = 1.
Agora igualamos os expoentes de metro e de segundo:
- Metro: 2 + b + c = 0
- Segundo: -1 - b = 0, logo b = -1
- Substituindo na primeira: 2 - 1 + c = 0, logo c = -1
Portanto:
Conferindo: \dfrac{\text{kg}\,\text{m}^2\text{s}^{-1}}{(\text{m}\,\text{s}^{-1})(\text{m})} = \text{kg}, que é a dimensão de massa.
Observe que a expressão correta tem c e não c^2 no denominador. Isso ocorre porque, aqui, \hbar/(cr) já tem unidade de massa. A forma física mc^2 seria uma energia, mas o enunciado pede apenas a compatibilidade dimensional.
Alternativa A.
Pegadinha: A alternativa E engana quem lembra de E=mc^2 e coloca c^2 no denominador, mas a análise dimensional exige c com expoente 1.
Por que as outras alternativas estão erradas
- B\hbar c/r tem dimensão de força (N), não de massa.
- C\hbar/(cr^2) tem dimensão de massa por metro, sobra \text{m}^{-1}.
- D\hbar c/r^2 tem dimensão de força por comprimento, não de massa.
- E\hbar/(c^2 r) tem dimensão de massa por velocidade, sobra \text{s/m}.
Assuntos: análise dimensional, constante de Planck.
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Fonte: ITA 2027 · 1ª fase. Prova oficial ↗