Questão de Física — Ondas e Propriedades Ondulatórias — FGV 2022

Ondas eletromagnéticas: velocidade e energia

Gabarito: letra D. Todas as cores da luz visível, ao se propagarem no ar (e no vácuo), possuem a mesma velocidade — aproximadamente $3 \times 10^8$ m/s —, mas energias diferentes, pois a energia do fóton é diretamente proporcional à frequência ($E = h \cdot f$), e a frequência é inversamente proporcional ao comprimento de onda ($f = c/\lambda$). Como a violeta tem o menor comprimento de onda (4026 Å), ela possui a maior frequência e, portanto, a maior energia.

A questão explora dois conceitos fundamentais da ondulatória que frequentemente são confundidos: a velocidade de propagação da onda eletromagnética e a energia transportada por ela. A velocidade da luz no vácuo é uma constante universal, e no ar seu valor é praticamente o mesmo. Essa velocidade não depende da frequência ou do comprimento de onda da luz — todas as cores se propagam com a mesma rapidez. Já a energia de um fóton é dada pela relação de Planck, $E = h \cdot f$, onde $h$ é a constante de Planck. Como a frequência é inversamente proporcional ao comprimento de onda, quanto menor o comprimento de onda, maior a frequência e, consequentemente, maior a energia do fóton.

A tabela fornecida lista os comprimentos de onda das cores emitidas pelo átomo de Hélio: vermelha (6678 Å), amarela (5875 Å), azul (4388 Å) e violeta (4026 Å). Observa-se que a violeta tem o menor comprimento de onda, o que a torna a de maior frequência e maior energia. A vermelha, por outro lado, tem o maior comprimento de onda, logo a menor frequência e a menor energia. A velocidade, no entanto, é idêntica para todas, pois todas se propagam no mesmo meio (o ar).

A pegadinha da banca está em associar a cor de maior energia à de maior velocidade, ou vice-versa. A velocidade é uma propriedade do meio, não da cor; a energia é uma propriedade do fóton, que depende da frequência. O candidato que confunde esses conceitos pode marcar a alternativa que diz que a vermelha tem maior velocidade (errado, pois todas têm a mesma velocidade) ou que a vermelha tem maior energia (errado, pois a vermelha tem a menor energia).

Alternativa A — ❌ Incorreta

Afirma que todas as frequências possuem a mesma energia e que a vermelha é a de maior velocidade. Erro duplo: as frequências são diferentes (cada cor tem uma frequência distinta), logo as energias também são diferentes; e a velocidade é a mesma para todas as cores no ar, não sendo a vermelha a mais rápida.

Alternativa B — ❌ Incorreta

Afirma que todas as frequências possuem a mesma energia e que a violeta é a de maior velocidade. Erro duplo: as energias são diferentes (a violeta tem a maior energia, não a mesma de todas); e a velocidade é a mesma para todas as cores, não sendo a violeta a mais rápida.

Alternativa C — ❌ Incorreta

Afirma que todas as frequências possuem a mesma velocidade e que a vermelha é a de maior energia. Erro na segunda parte: a velocidade é a mesma, correto, mas a vermelha tem o maior comprimento de onda, portanto a menor frequência e a menor energia, não a maior.

Alternativa D — ✅ Correta ⟵ GABARITO

Afirma que todas as frequências possuem a mesma velocidade e que a violeta é a de maior energia. Correto: a velocidade da luz no ar é a mesma para todas as cores; e a violeta, por ter o menor comprimento de onda (4026 Å), tem a maior frequência e, pela relação $E = h \cdot f$, a maior energia.

Alternativa E — ❌ Incorreta

Afirma que todas as frequências possuem a mesma energia e a mesma velocidade. Erro na primeira parte: as frequências são diferentes, logo as energias também são diferentes. A velocidade é a mesma, mas a energia não.

Gabarito: letra D