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Questão de Física — Ótica — INSTITUTO AOCP 2025

FísicaÓtica
Código
qg539360
Banca
INSTITUTO AOCP
Órgão
IF-MS
Ano
2025
Nível
Superior
Cargo
Professor EBTT - Física
Um objeto está a uma distância p da face refletora de um espelho esférico côncavo de distância focal f, produzindo uma imagem real de tamanho i. Para a imagem tornar-se virtual e de tamanho 2i, o objeto deve se aproximar do espelho e se posicionar a uma distância do vértice igual a
  1. A(f – p)/2
  2. B(f +p)/3
  3. C(3f - p)/2
  4. D(f + p)/4
  5. E(2f + p)/2
Revelar gabarito e comentário

GabaritoC — (3f - p)/2

Comentário gerado por IA. É um apoio ao estudo, ancorado em fontes, mas pode conter imprecisões — confira sempre na fonte oficial (lei, súmula, edital e gabarito da banca). Encontrou um erro? Use “Reportar”.

Espelhos esféricos: equação de Gauss e aumento linear

Gabarito: letra C. A nova distância do objeto ao vértice do espelho é dada por p′=3f−p2p' = \frac{3f - p}{2}, obtida combinando a equação de Gauss (1f=1p+1p′\frac{1}{f} = \frac{1}{p} + \frac{1}{p'}) com a condição de que a imagem virtual tenha o dobro do tamanho da imagem real original (A′=2AA' = 2A). A resolução exige aplicar corretamente a convenção de sinais para imagens virtuais em espelhos côncavos.

A questão envolve a formação de imagens em espelhos esféricos côncavos, um tema clássico de óptica geométrica. Para resolvê-la, precisamos dominar duas ferramentas: a equação de Gauss (ou equação dos pontos conjugados) e a equação do aumento linear transversal.

A equação de Gauss relaciona a distância focal ff, a distância do objeto ao espelho pp e a distância da imagem ao espelho p′p':

1f=1p+1p′\frac{1}{f} = \frac{1}{p} + \frac{1}{p'}

Já o aumento linear transversal AA é a razão entre o tamanho da imagem ii e o tamanho do objeto oo, e também pode ser expresso em função das distâncias:

A=io=−p′pA = \frac{i}{o} = -\frac{p'}{p}

O sinal negativo na equação do aumento é crucial: ele indica que, quando p′p' é positivo (imagem real), a imagem é invertida em relação ao objeto (A<0A < 0). Quando p′p' é negativo (imagem virtual), a imagem é direita (A>0A > 0).

Vamos aplicar isso ao problema. Inicialmente, o objeto está a uma distância pp do espelho e a imagem formada é real, de tamanho ii. Pela equação do aumento, temos:

A=io=−p′pA = \frac{i}{o} = -\frac{p'}{p}

Como a imagem é real, p′>0p' > 0 e A<0A < 0. Podemos escrever o módulo do aumento como ∣A∣=p′p|A| = \frac{p'}{p}.

Agora, o objeto é aproximado do espelho, e a nova imagem deve ser virtual e ter tamanho 2i2i. Para uma imagem virtual em um espelho côncavo, o objeto deve estar entre o foco e o vértice. Nessa nova situação, a distância do objeto é p′p' (que vamos chamar de p2p_2 para evitar confusão) e a distância da imagem é p2′p_2', que agora é negativa (imagem virtual). O novo aumento é:

A2=2io=−p2′p2A_2 = \frac{2i}{o} = -\frac{p_2'}{p_2}

Como a imagem é virtual, p2′<0p_2' < 0, então A2>0A_2 > 0. O módulo do novo aumento é ∣A2∣=∣p2′∣p2|A_2| = \frac{|p_2'|}{p_2}.

O enunciado diz que a nova imagem tem o dobro do tamanho da imagem original: 2i=2⋅i2i = 2 \cdot i. Isso significa que o módulo do novo aumento é o dobro do módulo do aumento original:

∣A2∣=2∣A∣|A_2| = 2|A|

Substituindo as expressões:

∣p2′∣p2=2⋅p′p\frac{|p_2'|}{p_2} = 2 \cdot \frac{p'}{p}

Agora, precisamos relacionar p′p' e p2′p_2' com ff e pp usando a equação de Gauss. Para a situação inicial (imagem real):

1f=1p+1p′⇒1p′=1f−1p=p−ffp⇒p′=fpp−f\frac{1}{f} = \frac{1}{p} + \frac{1}{p'} \Rightarrow \frac{1}{p'} = \frac{1}{f} - \frac{1}{p} = \frac{p - f}{fp} \Rightarrow p' = \frac{fp}{p - f}

Como a imagem é real, p′>0p' > 0, o que implica p>fp > f (objeto além do foco).

Para a nova situação (imagem virtual), a distância da imagem p2′p_2' é negativa. Vamos usar a equação de Gauss com p2′p_2' representando o valor algébrico (negativo):

1f=1p2+1p2′\frac{1}{f} = \frac{1}{p_2} + \frac{1}{p_2'}

Como p2′<0p_2' < 0, podemos escrever p2′=−∣p2′∣p_2' = -|p_2'|. Substituindo:

1f=1p2−1∣p2′∣⇒1∣p2′∣=1p2−1f=f−p2fp2⇒∣p2′∣=fp2f−p2\frac{1}{f} = \frac{1}{p_2} - \frac{1}{|p_2'|} \Rightarrow \frac{1}{|p_2'|} = \frac{1}{p_2} - \frac{1}{f} = \frac{f - p_2}{fp_2} \Rightarrow |p_2'| = \frac{fp_2}{f - p_2}

Para que a imagem seja virtual, ∣p2′∣>0|p_2'| > 0, o que exige p2<fp_2 < f (objeto entre o foco e o vértice).

Agora, substituímos as expressões de p′p' e ∣p2′∣|p_2'| na relação dos aumentos:

fp2f−p2p2=2⋅fpp−fp\frac{\frac{fp_2}{f - p_2}}{p_2} = 2 \cdot \frac{\frac{fp}{p - f}}{p}

Simplificando:

ff−p2=2⋅fp−f\frac{f}{f - p_2} = 2 \cdot \frac{f}{p - f}

Cancelando ff (já que f≠0f \neq 0):

1f−p2=2p−f\frac{1}{f - p_2} = \frac{2}{p - f}

Invertendo ambos os lados:

f−p2=p−f2f - p_2 = \frac{p - f}{2}

Isolando p2p_2:

p2=f−p−f2=2f−p+f2=3f−p2p_2 = f - \frac{p - f}{2} = \frac{2f - p + f}{2} = \frac{3f - p}{2}

Portanto, a nova distância do objeto ao vértice do espelho é p2=3f−p2p_2 = \frac{3f - p}{2}, que corresponde à alternativa C.

Vamos verificar a consistência: como a nova imagem é virtual, precisamos que p2<fp_2 < f. Isso implica 3f−p2<f⇒3f−p<2f⇒f<p\frac{3f - p}{2} < f \Rightarrow 3f - p < 2f \Rightarrow f < p, o que é verdade, pois a imagem original era real (p>fp > f). Além disso, p2>0p_2 > 0 exige 3f−p>0⇒p<3f3f - p > 0 \Rightarrow p < 3f, o que é uma condição razoável para o problema.

A pegadinha desta questão está na convenção de sinais. Muitos alunos, ao verem "imagem virtual", esquecem de atribuir sinal negativo à distância da imagem na equação de Gauss, o que leva a um resultado incorreto. Outro erro comum é confundir o aumento linear com o tamanho da imagem, esquecendo que o aumento é a razão entre o tamanho da imagem e o tamanho do objeto.

  1. 1Gauss: 1/f = 1/p + 1/p'
  2. 2Aumento: A = -p'/p
  3. 3Imagem real: p' = fp/(p-f)
  4. 4Imagem virtual: |p2'| = fp2/(f-p2)
  5. 5Condição: |A2| = 2|A|
  6. 6Isola p2 = (3f-p)/2
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Alternativa A — ❌ Incorreta

A expressão (f−p)/2(f - p)/2 não corresponde a nenhuma relação física válida derivada das equações de Gauss e do aumento. Ela parece uma tentativa de manipular a equação f−p2=(p−f)/2f - p_2 = (p - f)/2 de forma incorreta, talvez esquecendo de somar ff ao resultado ou invertendo os termos.

Alternativa B — ❌ Incorreta

A expressão (f+p)/3(f + p)/3 não é obtida em nenhuma etapa da resolução. Ela poderia surgir de um erro ao combinar as frações na equação do aumento, como se 1f−p2=2p−f\frac{1}{f - p_2} = \frac{2}{p - f} fosse resolvida de forma equivocada, resultando em um denominador 3.

Alternativa C — ✅ Correta ⟵ GABARITO

Como demonstrado, a resolução correta leva a p2=3f−p2p_2 = \frac{3f - p}{2}. Aplicando a equação de Gauss para a situação inicial e final, e usando a relação entre os aumentos (∣A2∣=2∣A∣|A_2| = 2|A|), chegamos exatamente a essa expressão. A alternativa está correta.

Alternativa D — ❌ Incorreta

A expressão (f+p)/4(f + p)/4 não tem fundamento físico. Ela poderia resultar de um erro ao inverter a equação f−p2=(p−f)/2f - p_2 = (p - f)/2, talvez dividindo por 2 novamente ou somando ff e pp de forma incorreta.

Alternativa E — ❌ Incorreta

A expressão (2f+p)/2(2f + p)/2 também não é derivada corretamente. Ela poderia surgir se, ao isolar p2p_2, o aluno somasse ff em vez de subtrair, ou se confundisse os sinais na equação f−p2=(p−f)/2f - p_2 = (p - f)/2.

Gabarito: letra C

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