Questões de Concurso sobre Teoria da Relatividade (Relatividade Geral e Restrita)

 
 
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O Sistema de Posicionamento Global (GPS) é uma das tecnologias modernas que mais dependem de correções para funcionar com precisão. Os satélites que compõem o GPS orbitam a Terra a velocidades de aproximadamente 14.000 km/h. Devido a essa alta velocidade escalar em relação à superfície terrestre, os engenheiros e físicos responsáveis pelo sistema observam que os relógios atômicos a bordo dos satélites sofrem um atraso sistemático de cerca de 7,0 ms por dia em comparação com os relógios idênticos situados nas estações de controle no solo.


Considerando-se apenas o efeito descrito de atraso devido à velocidade orbital, a causa fundamental desse fenômeno é a


A

alteração na frequência das ondas eletromagnéticas recebidas, provocada pelo efeito Doppler devido ao movimento relativo entre satélite e receptor.


B

colisão em alta velocidade entre as partículas cósmicas provenientes do vento solar e os elétrons dos circuitos eletrônicos do relógio do satélite.


C

dilatação temporal prevista pela Relatividade Restrita, decorrente do movimento relativo entre os referenciais.


D

influência do potencial gravitacional da Terra sobre o ritmo dos relógios, conforme descrito pela Relatividade Geral.


E

contração do comprimento (contração de Lorentz) sofrida pelos circuitos do relógio, reduzindo as distâncias percorridas pelos sinais elétricos internos.

A derivada de uma função f(x) em um ponto xo é definida formalmente pelo limite:


A


B


C


D

Um dos exemplos mais famosos da Teoria da Relatividade Restrita é o paradoxo dos gêmeos, no qual observadores na Terra medem que o tempo passa mais devagar para o gêmeo que viaja em alta velocidade. No entanto, comprimento, tempo e velocidade não são os únicos conceitos que precisam ser revisados à luz da relatividade restrita; o momento e a energia de partículas em movimento próximo à velocidade da luz também apresentam comportamentos distintos em relação à física clássica.


Considerando partículas relativísticas, assinale a alternativa que descreve corretamente informações sobre energia e momento.


A

A energia cinética de uma partícula relativística é obtida somando-se sua energia de repouso da energia total, enquanto o momento é dado por m que m é a massa de repouso da partícula e u é a velocidade da partícula em relação ao referencial escolhido.


B

A energia cinética de uma partícula relativística é obtida subtraindo-se sua energia de repouso da energia total, enquanto o momento é dado por , em que m é a massa de repouso da partícula e u é a velocidade da partícula em relação ao referencial escolhido.


C

A energia cinética de uma partícula relativística é obtida multiplicando-se sua energia de repouso pelo fator de Lorentz enquanto o momento é dado por , em que m é a massa de repouso da partícula e u é a velocidade da partícula em relação ao referencial escolhido.


D

A energia cinética de uma partícula relativística é obtida somando-se sua energia de repouso da energia total, enquanto o momento é dado por , em que m é a massa de repouso da partícula e u é a velocidade da partícula em relação ao referencial escolhido.


E

A energia cinética de uma partícula relativística é obtida subtraindo-se sua energia de repouso da energia total, enquanto o momento é dado por , em que m é a massa de repouso da partícula e u é a velocidade da partícula em relação ao referencial escolhido.

A Lei da Conservação da Massa, postulada por Lavoisier, é estritamente aplicável a transformações químicas em sistemas fechados, mas sua validade é flexibilizada em reações nucleares, onde a massa pode ser convertida em energia conforme a equação de Einstein E=mc², demonstrando que a massa total do sistema não permanece constante nesses processos.


C

Certo


E

Errado

Assinale a opção correta em relação à teoria da relatividade especial, publicada por Einstein em 1905.


A

Hipóteses utilizadas no desenvolvimento dessa teoria, bem como algumas de suas consequências, haviam sido obtidas anteriormente por outros cientistas, como Hendrik Lorentz e Henri Poincaré.


B

Os postulados e as consequências dessa teoria eram inéditos e, por isso, representaram uma verdadeira revolução na física, fato que dificultou sua aceitação imediata.


C

Essa teoria superou a teoria eletromagnética de Hendrik Lorentz por conseguir explicar o resultado nulo do experimento de Albert Michelson e Edward Morley de 1887, enquanto a teoria de Lorentz não podia fazê-lo.


D

A base empírica dessa teoria surgiu anos depois de sua publicação, pois em 1905 ainda não havia qualquer experimento para apoiá-la.


E

Ao propor tal teoria, Einstein buscava resolver o problema da não detecção do vento de éter pelo experimento realizado por Albert Michelson e Edward Morley em 1887.

Considere as afirmativas relacionadas com a Relatividade Restrita apresentadas a seguir. Registre V, para verdadeiras, e F, para falsas:


(__)Dois observadores em referenciais inerciais em movimento relativo não podem discordar sobre a simultaneidade de dois eventos espacialmente separados.

(__)A existência de massa implica a presença de uma forma de energia associada ao corpo, mesmo na ausência de movimento em relação a um referencial inercial.

(__)Dois observadores em movimento relativo podem medir intervalos de tempo diferentes para um mesmo processo físico.


Assinale a alternativa que apresenta a sequência correta:


A

F − V − F.


B

V − F − V.


C

F − V − V.


D

V − V − F.


E

F − F − V.

De acordo com os postulados da teoria da relatividade especial, de Albert Einstein, dois observadores que possuem movimento relativo entre si observam intervalos de tempo diferentes. Considere um observador P, em repouso na Terra, e um observador N, deslocando-se em uma nave. A relação entre os intervalos de tempo marcado pelos dois observadores é dada pela seguinte expressão:


Imagem associada para resolução da questão


Admita que o observador N realiza uma viagem com velocidade v = 0,75 c, sendo ∆t’ = 6,6 horas, em relação ao observador P.


Nessas condições, o intervalo de tempo ∆t dessa viagem, em horas, medido pelo observador P, corresponde, aproximadamente, a:


A

8


B

10


C

12


D

14

Em uma aula de Relatividade Restrita (RR), um estudante comenta, como curiosidade, relatos de comparação entre relógios atômicos após um deles ter sido transportado e pergunta: “Se o movimento é relativo, por que o relógio transportado necessariamente marca menos tempo? Não poderia o relógio do laboratório ser considerado ‘o móvel’ no referencial do outro?”.

Para discutir essa dúvida apenas no âmbito da RR, considere o seguinte cenário idealizado: dois relógios idênticos 𝑨 e 𝑩 são sincronizados no mesmo ponto do espaço e no mesmo instante, definindo o evento 𝑬𝟎. O relógio 𝑨 permanece em repouso no referencial inercial 𝑺. O relógio 𝑩 realiza uma viagem composta por dois trechos de movimento retilíneo e uniforme, com velocidade escalar constante 𝒗(com 𝟎 < 𝒗 < 𝒄) em relação a 𝑺: um trecho de “ida” e outro de “volta”, retornando ao ponto de partida para comparação direta com 𝑨 no evento 𝑬𝟏.


Assuma que:


• efeitos gravitacionais e influências ambientais são desprezíveis;

• a passagem do trecho de ida para o de volta é tratada como mudança idealizada de referencial (ocorrendo em duração desprezível), sem introduzir efeitos adicionais além dos previstos pela RR.


Com base nesses pressupostos, assinale a alternativa correta.


A

Em RR, o resultado é indeterminado, pois cada relógio pode considerar o outro como móvel e, portanto, ambos devem marcar o mesmo tempo ao reencontrar-se.


B

O relógio 𝐵 marca menos tempo porque o “movimento” torna relógios mais lentos; como a lentidão depende apenas de 𝑣, basta afirmar que “quem se move” sempre atrasa, independentemente do percurso.


C

O relógio 𝐵 marca menos tempo porque, embora em cada trecho inercial haja dilatação do tempo, a diferença final decorre do fato de que 𝐵 não permanece em um único referencial inercial ao longo de toda a viagem; ao considerar o intervalo total entre 𝐸0 e 𝐸1 , o tempo próprio acumulado por 𝐵 é menor que o de 𝐴.


D

Os relógios necessariamente marcam o mesmo tempo, pois a RR implica simetria completa entre todos os observadores e proíbe qualquer discrepância em leituras quando há reencontro.


E

A discrepância final depende do sentido do movimento (ida/volta), de modo que o atraso do trecho de ida é sempre compensado pelo trecho de volta, anulando a diferença.

Durante uma aula sobre Relatividade Restrita (RR), o professor afirma que, segundo essa teoria, existe uma relação fundamental entre massa e energia, de modo que variações na energia de um sistema implicam variações correspondentes em sua massa. Ele propõe o seguinte cenário idealizado: duas partículas livres, em repouso no mesmo referencial inercial, possuem massas 𝒎𝟏 e 𝒎𝟐. Ao interagirem, formam um sistema ligado estável, também em repouso nesse mesmo referencial. Experimentalmente, verifica-se que, durante a formação do sistema, houve liberação de energia 𝑬𝑳 para o meio externo.

Define-se defeito de massa como a diferença entre a soma das massas iniciais das partículas livres e a massa final 𝑴 do sistema formado.


Com base exclusivamente na Relatividade Restrita e na equivalência entre massa e energia prevista por essa teoria, assinale a alternativa correta.


A

O defeito de massa indica que parte da massa das partículas foi destruída, contrariando a conservação da energia.


B

O defeito de massa corresponde à energia liberada 𝐸𝐿, pois massa e energia são grandezas numericamente iguais.


C

O defeito de massa é proporcional à energia liberada 𝐸𝐿, sendo determinado pela relação fundamental entre massa e energia da RR.


D

A massa final do sistema deve ser igual a 𝑚1 + 𝑚2, pois a RR preserva separadamente massa e energia.


E

O defeito de massa depende apenas dos valores de 𝑚1 e 𝑚2 , sendo independente da energia liberada.

Desde a antiguidade, busca-se diferenciar o conhecimento científico de outros tipos de conhecimento. Nesse caminhar, merecem destaque as contribuições de Karl Popper, quando, em sua obra fundamental A lógica da pesquisa científica, o autor apresenta um novo olhar epistemológico para as ciências.

A respeito dessas contribuições, qual das sentenças está INCORRETA?


A

Para Popper, o erro, em vez de ser um mal que deve ser evitado, constitui-se em um componente inevitável no processo de construção de uma teoria científica, caracterizando-se, assim, como um motor para o movimento da ciência.


B

Popper adota uma postura crítica aos membros do Círculo de Viena, quanto ao critério da verificabilidade, para comprovar o que é científico. Para ele, a ciência é indutivista, pois só se pode tentar fundamentar a indução através de novas induções.


C

Para Popper, o que distingue a ciência de outros conhecimentos é o critério da testabilidade ou refutabilidade da teoria, ou seja, a teoria possui status científico quando pode ser refutada ou testada.


D

Popper considera seu racionalismo crítico como uma nova forma de ver a ciência. Essa postura faz contraponto à visão instrumentalista e à visão essencialista sobre as teorias científicas.

Considere uma lâmpada de 100 W.


Sabendo que a velocidade da luz no vácuo tem valor de 3 × 108 m/s, é correto afirmar que, se uma quantidade de matéria, com massa de repouso igual a 50 g, fosse completamente transformada em energia, essa energia seria capaz de manter ininterruptamente acesa essa lâmpada, supondo-a indestrutível, por um tempo estimado mais próximo de


A

um bilhão de anos.


B

cem anos.


C

um milhão de anos.


D

mil anos.


E

um trilhão de anos.

Em análise multivariada de dados experimentais, o PCA é usado para


A

reduzir a dimensionalidade dos dados preservando variância máxima.


B

garantir o isolamento da gaiola de Faraday.


C

medir apenas idades isotópicas do carbonato.


D

interpolar as imagens SEM.


E

normalizar espectros Raman manualmente.

Seja 𝑅 um referencial inercial e 𝑅 ′ um referencial inercial que se move em relação a 𝑅, com velocidade constante = 𝛽𝑐𝑥̂, na qual 𝑐 é a velocidade da luz no vácuo e |𝛽| < 1 é um parâmetro adimensional. Os eixos 𝑥, 𝑦 e 𝑧 de 𝑅 são paralelos aos eixos 𝑥′, 𝑦′ e 𝑧′ de 𝑅 ′ , e as coordenadas espaço-tempo estão relacionadas entre si através da transformação de Lorentz. Sabe-se também que as origens 𝑂 e 𝑂 ′ dos referenciais 𝑅 e 𝑅 ′ são coincidentes nos instantes 𝑡 = 𝑡′ = 0. Considere as funções de onda Ψ±(𝑥, 𝑡) = Ψ0 exp[𝑖𝑘𝜙±(𝑥, 𝑡)], onde 𝑘 é o vetor de onda e os comprimentos 𝜙± são 𝜙+(𝑥, 𝑡) = 𝑥 + 𝑐𝑡 e 𝜙(𝑥, 𝑡) = 𝑥 − 𝑐𝑡. É correto afirmar que no referencial 𝑅′ as grandezas e estão relacionadas através da seguinte forma, respectivamente:


A

e


B

e


C

e


D

e


E

e

A Teoria da Relatividade Restrita de Einstein trouxe mudanças profundas na compreensão do espaço e do tempo. Um dos conceitos fundamentais é a dilatação temporal, que implica que o tempo não é absoluto e depende do referencial do observador.


Tendo isso em vista, considere que dois observadores, A e B, estejam analisando o movimento de uma partícula. O observador A está em repouso em um laboratório na Terra, enquanto o observador B viaja em uma nave a uma velocidade relativística v em relação a A. Com base nas previsões da Relatividade Restrita, é correto afirmar que


A

o tempo medido pelo observador B será sempre menor do que o tempo medido pelo observador A, independentemente da velocidade da nave.


B

a dilatação do tempo significa que um relógio em movimento em relação a um referencial inercial sempre parecerá atrasado em relação a um relógio em repouso nesse referencial.


C

se a nave de B viajar a uma velocidade maior do que a velocidade da luz no vácuo, o fator de Lorentz se tornaria negativo, implicando a possibilidade de viajar para o passado.


D

o efeito da dilatação do tempo desaparece completamente quando a velocidade relativa entre A e B é menor do que a metade da velocidade da luz no vácuo.


E

a dilatação temporal ocorre apenas quando a velocidade relativa entre dois referenciais é superior a 80% da velocidade da luz no vácuo.

Em um experimento mental, um astronauta viaja em uma espaçonave a uma velocidade muito alta, como 99% da velocidade da luz (0,99c), em relação a um observador em repouso na Terra. Para o observador terrestre, todos os processos a bordo da nave, incluindo o funcionamento de um relógio e o envelhecimento do astronauta, parecem ocorrer de forma mais lenta. Para o astronauta, no entanto, seu relógio e seus processos biológicos transcorrem normalmente. Este cenário, que desafia a noção clássica de tempo, é uma consequência direta dos postulados da Relatividade Especial de Albert Einstein. A interpretação física correta deste fenômeno é:


A

Uma falha instrumental nos relógios atômicos, que perdem precisão quando submetidos a altas velocidades, sendo necessário desenvolver novas tecnologias de cronometragem para viagens espaciais.


B

A dilatação temporal, um efeito no qual um intervalo de tempo medido em um referencial em movimento em relação a um observador é percebido como mais longo (o tempo passa mais devagar) do que o mesmo intervalo medido no referencial próprio (em repouso).


C

A influência da gravidade do motor da espaçonave sobre o fluxo do tempo, um princípio da Relatividade Geral que afirma que campos gravitacionais intensos podem retardar o tempo.


D

Um efeito puramente psicológico no astronauta, causado pelo isolamento da viagem espacial, e uma ilusão de ótica para o observador na Terra, causada pelo atraso no sinal de luz que chega da espaçonave.


E

A contração do comprimento, um fenômeno no qual o tempo, sendo uma quarta dimensão, se contrai na direção do movimento para compensar o aumento da velocidade e manter a velocidade da luz constante.

Julgue as sentenças abaixo como VERDADEIRAS (V) ou FALSAS (F).


( ) O efeito fotoelétrico só pode ser explicado considerando a natureza quântica da luz, como proposto por Einstein.

( ) A relatividade restrita prevê dilatação do tempo e contração do espaço em velocidades próximas à da luz.

( ) A fusão nuclear controlada já é a principal fonte de energia utilizada em reatores nucleares comerciais.


A sequência correta é:


A

V – V – F


B

F – V – V


C

V – V – V


D

V – F – V


E

V – F – F

Ao longo da história da Física, diferentes teorias transformaram a compreensão do Universo. Sobre a evolução das ideias da Física, assinale a alternativa correta.


A

Na cosmologia antiga, especialmente entre os gregos, acreditava-se que os astros se moviam em trajetórias elípticas e que o Sol estava no centro do Universo.


B

Para Aristóteles, todo movimento exigia uma força contínua, e os corpos tendiam naturalmente a permanecer em repouso, retornando ao “seu lugar natural”.


C

A mecânica de Galileu e Newton manteve a visão aristotélica de que o repouso era o estado natural dos corpos, mas explicou esse repouso com base em leis matemáticas.


D

A teoria da relatividade de Einstein confirmou que espaço e tempo são absolutos, independentes do observador, em acordo com a física newtoniana.

De acordo com a Relatividade Restrita, assinale a alternativa correta:


A

As leis da física são as mesmas para todos os observadores em referenciais em repouso ou acelerados.


B

Dois eventos que ocorrem no mesmo instante para um observador podem não ser simultâneos para outro observador que esteja em movimento relativo.


C

A massa de uma partícula deve crescer exponencialmente com a sua velocidade.


D

Os eventos são simultâneos em quaisquer referenciais adotados.


E

O comprimento de um corpo em movimento é maior do que o medido em repouso.

Considere uma nave espacial que se desloca com velocidade 0,6 c durante 24 meses. Sabe-se que o espaço e o tempo são grandezas relativas, que 24 meses corresponde ao tempo medido por um observador em repouso, na nave espacial, e que c é a velocidade da luz no vácuo.


O tempo de deslocamento, em meses, medido por um observador desse movimento a partir da Terra, é igual a:


A

15


B

20


C

24


D

30


E

48

Considerando os fenômenos físicos clássicos e relativísticos, assinale a alternativa CORRETA:


A

Dado o valor da velocidade de propagação da luz num meio, as partículas que possuem massa não podem alcançar ou ultrapassar esse valor.


B

A aproximação de um ímã numa espira condutora fechada induz, na espira, apenas um monopolo magnético, idêntico ao polo magnético que se aproxima.


C

Um campo magnético variável não realiza trabalho sobre elétrons em repouso em relação à fonte desse campo.


D

Em meios transparentes, a luz nem sempre se propaga em linha reta.


E

O efeito fotoelétrico não depende da frequência do fóton para os casos de radiações originadas de fontes luminosas de altas potências.

 
 
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