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  1. 1. NOTAS DE AULAS DE FÍSICA MODERNAProf. Carlos R. A. LimaCAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO AO CURSO E TEORIA DA RELATIVIDADE ESPECIAL Edição de janeiro de 2009 2
  2. 2. CAPÍTULO 1 – TEORIA DA RELATIVIDADE ESPECIALÍNDICE1.1- Introdução1.2- Eventos Físicos e Sistemas de Referência1.3- Transformação de Galileu e Relatividade de Newton1.4- Eletromagnetismo e Relatividade de Newton1.5- Experiência de Michelson - Morley1.6- Tentativas para “Salvar o Éter” - FACULTATIVO 1.6.1- Hipótese da Contração de Lorentz - Fitzgerald 1.6.2- Hipótese do Arrastamento do Éter1.7- Postulados da Teoria da Relatividade Especial1.8- Cinemática Relativística 1.8.1- Sincronização e Simultaneidade 1.8.2- Transformações de Lorentz 1.8.3- Transformação de Velocidades 1.8.4- Diagramas Espaço – Tempo e Espaço de Minkowski 1.8.5- Dilatação dos Tempos e Contração dos Comprimentos 1.8.6- Técnicas Experimentais de Medidas de Espaço e Tempo em Relatividade – FACULTATIVO 1.8.6.1- Relógio de Luz 1.8.6.2- Relógio Atômico 1.8.7- Intervalo no Espaço – Tempo 1.8.8- Efeito Doppler na Relatividade 1.8.9- Paradoxo dos Gêmeos1.9- Dinâmica Relativística 1.9.1- Momento Relativístico 1.9.2- Energia Relativística 1.9.3- Transformações das Grandezas Dinâmicas 1.9.4- Invariância da Energia de Repouso 1.9.5- Partículas sem Massa1.10- Velocidades Superluminosas e TáquionsNessa apostila aparecem seções, sub-seções e exemplos resolvidos intitulados como facultativos. Osassuntos que se referem esses casos, podem ser dispensados pelo professor durante a exposição deaula sem prejuízo da continuidade do curso de Estrutura da Matéria. Entretanto, é desejável que osalunos leiam tais assuntos e discutam dúvidas com o professor fora do horário de aula. Fica a cargo doprofessor a cobrança ou não dos tópicos facultativos.Excluindo os tópicos facultativos, esse capítulo deve ser abordado no máximo em 7 aulas de quatrocréditos. 3
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  127. 127. Lista de Exercícios1- A vida média própria dos píons é Tp = 2, 6 ×10−8 s . Se um feixe de píons tiver a velocidade de v = 0,85 c ,(a) qual seria o respectivo tempo de vida média T medido no laboratório? (b) Qual a distância L que os píonspercorreriam, em média, antes de decaírem? (c) Qual seria a sua resposta à indagação da parte (b) se você nãolevasse em conta a dilatação dos tempos? Resp.: (a) T = 4,94 ×10−8 s , (b) L = 12,6 m , (c) L = 6, 63m .2- Uma nave espacial parte da terra em direção à alfa do Centauro, que está a 4 anos − luz de distância. A naveespacial desloca-se com a velocidade v = 0,75 c . Quanto tempo leva a nave para chegar ao seu destino (a) noreferencial da terra? (b) no referencial de um passageiro da nave? Resp. (a) Δt = 5,33 anos , (b)Δt ′ = 3,53 anos3- Qual deve ser a velocidade v de um múon para que a sua vida média seja T = 46μ s , sabendo-se que a vidamédia em repouso é T ′ = 2 μ s ? Resp. v = 0,9991c4- Qual deve ser a velocidade de uma vara de um metro, no referencial de um observador, para que o seucomprimento, medido pelo observador, seja 50cm , quando a vara se move na direção do próprio eixo? Resp.:2,6 × 10 8 m / s .5- Observadores num referencial S vêem uma explosão localizada em x1 = 480m . Uma segunda explosãoocorre Δt = 5μs x2 = 1200m . Num depois, em S′ S′referencial S, que se move sobre o eixo dos + x , comvelocidade v para a direita, um observador nota que as −v −vexplosões ocorrem num mesmo ponto do espaço. x2 = 1200m x1 = 480mEvidentemente, para ele é o referencial S que se movepara a esquerda com uma velocidade −v como S Smostra a Figura ao lado. Qual a separação no tempoΔt ′ entre as duas explosões no referencial S? Resp.: Δt ′ = 4,39 μ s . −66- Os aviões supersônicos a jato têm velocidades máximas v = 3 × 10 c . (a) Qual a contração percentualη = 100 (L p − L) do comprimento de um jato que estiver com esta velocidade, visto num referencial ligado a Lpterra? (b) Durante um intervalo de tempo de 1ano = 3 ,15 × 10 s , marcado num relógio na terra, quantos minutos 7perdem o relógio do piloto em cada ano do relógio da terra? (Sugestão: Como v << c , no item (b) adote a 1/ 2 ⎛ v2 ⎞ 1 1 v2 ). Resp.: (a) η = 4,5 ×10 % , (b) ΔT = 2,37 × 10 min −10 −6aproximação = ⎜1 − ⎟ ≅1− γ ⎝ c2 ⎠ 2c 27- Um relógio está num satélite em órbita terrestre, com um período de T = 90 min .Considerando o raio da 2πTerra RT = 6.37 × 106 m e a velocidade do satélite v = RT , qual é o intervalo de período ΔT que mede a Tdiferença entre a leitura deste relógio e a de um outro, idêntico a ele, que ficou na Terra, depois de um intervalo detempo Δt = 1ano = 3,16 × 107 s ?.(Sugestão: Observe que nesse caso v << c e, portanto, 1/ 21 ⎛ v2 ⎞ 1 v2 = ⎜1 − 2 ⎟ ≅1− ). Resp.: ΔT ≈ 9,64 ms .γ ⎝ c ⎠ 2 c2 128
  128. 128. 8- Duas naves espaciais idênticas de comprimento de repouso de 100 m , aproximam-se uma da outra, comvelocidade de 0,8 c em relação a terra. (a) Qual o comprimento de cada nave no referencial da terra? (b) Qual avelocidade de uma nave no referencial de um observador na outra nave? (c) Qual o comprimento de uma dasnaves no referencial de um observador na outra nave? (d) Na terra, em t = 0 , as proas das naves estão nomesmo ponto, pois neste instante uma começa a passar pela outra. Em que instante, na terra, as popascoincidem? (e) Fazer um desenho em escala, no referencial de uma das naves, da passagem da outra nave,desde a proa até a popa, para visualizar a contração dos comprimentos.9- Uma nave espacial desloca-se da terra para um sistema estelar à distância de L = 12 c .anos (medida noreferencial da terra). A viagem leva um tempo Δt ′ = 15 anos , no referencial da nave. (a) Qual a velocidade v danave em relação a terra? (b) Quando a nave chega ao seu destino, envia um sinal para a terra. Quantos anos sepassam até que a terra receba este sinal? (Sugestão: Considere a duração Δt da viagem da nave no referencialda terra no cálculo do tempo total para o sinal chegar a terra). Resp.: (a) v = 0,625 c , (b)T = Δt + 12 anos = 31,2 anos .10- Duas naves espaciais estão se aproximando uma da outra. (a) Se a velocidade de cada uma delas for 0,6 c ,em relação a terra, qual é a velocidade de uma em relação à outra? (b) Se a velocidade de cada uma delas emrelação a terra for 30000 m / s (cerca de 100 vezes a velocidade do som), qual a velocidade de uma em relaçãoà outra? Resp.: (a) ux = −0,882 c , (b) u x ≈ −60000 + 6 ×10−4 m / s .11- Mostrar que se uma partícula se move sob um ângulo θ com o eixo dos x , com a velocidade u numreferencial S , então ela deve se mover com um ângulo θ ′ com o eixo dos x ′ em S ′ dado, por senθtgθ ′ = , onde S ′ é um referencial com velocidade v em S . γ ( cos θ − v u )12- Uma vara de comprimento próprio Lp faz o ângulo θ ′ com o eixo dos x ′ num referencial S ′ . O referencial S ′move-se para a direita com velocidade v , em relação a um referencial S . A Figura abaixo mostra o ponto de vistado referencial S ′ , onde é o referencial S que se move para a esquerda com velocidade −v . y = y′ y′ Lp −v L θ′ θ S′ S x′ x θ que a vara faz com o eixo x no referencial S é tgθ = γ tgθ ′ e que o comprimento daMostrar que o angulo 1 L x′vara em S é L = Lp cos 2 θ ′ + sen2θ ′ . (Sugestão: Note que L ≠ p mas x = , pois aqui somente a γ 2 γ γcomponente x do comprimento da vara está na direção do movimento).13- A equação da frente de onda esférica de um pulso de luz que principia na origem, no instante t = 0 éx 2 + y 2 + z 2 − ( ct ) = 0 . Usando a transformação de Lorentz, mostrar que x′2 + y′2 + z′2 − ( ct ′ ) = 0 , ou seja, 2 2que o pulso de luz é uma frente de onda esférica também no referencial S ′ . D = x2 − x1 e pelo intervalo de tempo T = t2 − t1 . (a) Usar14- Dois eventos em S estão separados pela distanciaa transformação de Lorentz para mostrar que no referencial S ′ , que se move com a velocidade v em S , a 129
  129. 129. ⎛ vD ⎞separação no tempo é T ′ = γ ⎜ T − 2 ⎟ , onde T ′ = t2 − t1 é o intervalo de tempo medido em S ′ . (b) Mostrar ′ ′ ⎝ c ⎠que os eventos podem ser simultâneos e independentes no referencial S ′ somente se D > cT . (c) Se um doseventos for a causa do outro (eventos dependentes), deve-se ter D < cT pois D / c é o menor tempo que um ′ ′sinal leva para percorrer a distancia entre x1 e x2 no referencial S . Mostrar que se D < cT , então t2 > t1 emtodos os referenciais. Isto mostra que se uma causa precede o seu efeito, num certo referencial, a mesma causaprecederá o seu efeito em todos os outros referenciais. (Sugestão: Isole o termo cT na equação ⎛ vD ⎞T ′ = γ ⎜ T − 2 ⎟ , imponha a condição que D < cT e mostre que T ′ = t2 − t1′ > 0 , isto é, que t1′ < t2 em S ′ ). (d) ′ ′ ⎝ c ⎠Suponha que um sinal pudesse ser enviado com velocidade c′ > c , de modo que no referencial S a causaprecedesse o efeito pelo tempo T = D / c′ . Mostrar que há então um referencial que se move com a velocidade ⎛ vD ⎞ v < c no qual o efeito precede a causa. (Sugestão: Substitua T = D / c′ na equação T ′ = γ ⎜ T − 2 ⎟ , isole o ⎝ c ⎠termo c′ , imponha a condição c′ > c e mostre que T ′ = t2 − t1 < 0 , isto é, que t2 < t1 em S ′ ). ′ ′ ′ ′15- Um amigo da sua idade viaja para Alfa do Centauro, a 4 anos − luz = 4c.anos de distância, e voltaimediatamente. Ele afirma que a viagem durou apenas 6anos . (a) Com que velocidade seu amigo viajou? (b) Quala diferença de idade entre vocês dois quando voltaram a se encontrar? (c) Desenhe um diagrama espaço - tempopara confirmar as respostas dos itens (a) e (b).16- No referencial S , o evento B ocorre 2 μ s depois do evento A e a uma distância D = 1,5km deste evento.(a) Qual deve ser a velocidade de um observador num referencial S ′ no sentido positivo do eixo x para que os doiseventos ocorram simultaneamente nesse referencial? (b) É possível que o evento B preceda o evento A paraalgum observador? (c) Desenhe um diagrama espaço – tempo que ilustre as respostas dos itens (a) e (b). (d)Determine o valor do intervalo no espaço – tempo e a distância própria entre os eventos.17- Os referenciais S e S ′ estão se movendo com os eixos x e x′ paralelos. Seus relógios são ajustados parat = t ′ = 0 no momento em que as origens dos dois referenciais coincidem. No referencial S , o evento A ocorreem x1 = 1ano − luz = 1c.ano e t1 = 1ano e o evento B ocorre em x2 = 2anos − luz = 2c.anos e t 2 = 0,5anos .Estes eventos ocorrem simultaneamente no referencial S´. (a) Mostre esses eventos num diagrama espaço -tempo (b) Determine o módulo e direção da velocidade de S ′ em relação a S . (c) Em que instantes estes eventosocorrem no referencial S ′ ? (d) O intervalo no espaço – tempo Δs é do tipo espacial, temporal ou luminoso? Qual éo valor de Δs ? Qual é a distância própria Lp entre os eventos?18- Uma estudante, na Terra, ouve num rádio uma gravação que parece estar sendo tocada num disco que giramuito depressa. A gravação é de um disco que está sendo tocado por uma emissora de uma nave espacial, que seaproxima da terra com a velocidade v . Tendo um disco de 33 rpm, da mesma gravação, a estudante observa queo som é o mesmo que o do seu disco tocado a 78 rpm, isto é, a razão entre a freqüência de aproximação ν ap e afreqüência emitida ν é dada por 78 33 . Qual deve ser a velocidade da nave? Resp.: v = 0,696 c .19- Uma galáxia distante se afasta da Terra com a velocidade v = 1,85 × 10 m / s . Calcular o deslocamento 7relativo para o vermelho (λ af −λ) na luz proveniente da galáxia. Resp.: 0,0637 . λ20- A luz do sódio, de comprimento de onda λ = 589 nm , está sendo emitida por uma fonte que se afasta da terracom a velocidade v . Qual deve ser o valor desta velocidade, se o comprimento de onda medido no referencial daterra é λ af = 620nm . Resp.: v = 0,0512 c . 130
  130. 130. 21- Um elétron, com energia de repouso E0 = 0,511MeV , move-se com a velocidade u = 0, 2c . (a) Achar aenergia total, (b) a energia cinética e (c) o momento. Resp.: (a) E = 0,522 MeV , (b) K = 0,011 MeV , (c)p = 0,106 MeV / c .22- Um próton, com a energia de repouso de E0 = 938MeV , tem a energia total E = 1400 MeV . (a) Qual a suavelocidade? (b) Qual o seu momento? Resp.: (a) u = 0,74 c , (b) p = 1034 MeV / c .23- Qual a energia cinética K que seria necessária para acelerar uma partícula de massa de repouso m0 desde orepouso até a velocidade de (a)u = 0,5 c (b) u = 0,9 c e (c) u = 0,99 c ? Exprimir as respostas como múltiplosda energia de repouso E0 . Resp.: (a) K = 0,155E0 , (b) K = 1,294 E 0 , (c) K = 6,089 E 0 .24- Se a energia cinética K de uma partícula for igual à sua energia de repouso E0 , qual o erro que se cometeem usar p = p0 = m0 v como o seu momento? Resp.: erro = 50% . 125- Qual o erro percentual que se comete tomando-se m0 v2 como a energia cinética de uma partícula quando 2a sua velocidade for (a) v = 0,1c e (b) v = 0,9 c . Resp.: (a) erro = 0,751% , (b) erro = 68,7% .26- O sol irradia energia à taxa de P = 4, 0 ×1026W , aproximadamente. Vamos admitir que esta energia sejaoriginada por uma reação nuclear cujo resultado é a fusão de 4 núcleos de H para formar um núcleo de He , com −12a libertação de E0 = 25 MeV = 4 × 10 J de energia por núcleo de He formado. Calcular o númeroN = ΔE E0 = PΔt E0 de reações nucleares e a perda da massa em repouso ΔM 0 = Nm0 , ocorridas no soldurante um dia ou Δt = 8,64 × 10 s . 427- Uma partícula, que tem energia de repouso de E01 = 1MeV e energia cinética K1 = 2MeV , colide com umapartícula estacionária de energia de repouso de E02 = 2MeV . Depois dacolisão, as partículas ficam unidas, como mostra a Figura ao lado. Achar E01 = 1MeV(a) a velocidade da primeira partícula antes da colisão, (b) a energia totalda primeira partícula antes da colisão, (c) o momento total inicial do K1 = 2 MeV E02 = 2 MeV K f , E0sistema, (d) a energia cinética total depois da colisão e (e) a massa emrepouso do sistema depois da colisão. Resp.: (a) u1 = 0,943c , (b)E1 = 3 MeV , (c) p1 = 2,83 MeV / c , (d) M 0c2 = 4,12 MeV , (e) Antes DepoisK f = 0,88 MeV .28- O raio da órbita de uma partícula carregada, num campo magnético B , está relacionado com o momento dapartícula por p = BqR . Esta equação vale classicamente com p = m0u e relativisticamente com m0 up= . Um elétron com a energia cinética K = 1,50 MeV , se desloca sobre uma órbita circular 1 − u2 c2 B = 5 × 10−3 T . (a) Achar o raio da órbita. (b) Qual o resultado queperpendicular a um campo magnético uniformeseria obtido se fosse usada a relações clássicas p = m0u e K = p 2m0 ? Considere nos cálculos 2e = 1,6 × 10 −19 C , para a carga do elétron, me = 9,1 ×10 −31 Kg para a massa do elétron e E0 = 0,511 MeVpara a energia de repouso do elétron. Resp.: R = 1,3m , (b) R = 0,826m .29- Numa simples experiência imaginária, Einstein mostrou que existe uma massa associada à radiaçãoeletromagnética. Seja uma caixa de comprimento L e massa M sobre uma superfície sem atrito. Na parede 131
  131. 131. esquerda da caixa está uma fonte luminosa que emite radiação de energia E que é absorvida pela parede direitada caixa. De acordo com a teoria eletromagnética clássica, esta radiação é portadora de um momento cujo móduloé p=E . (a) Achar a velocidade de recuo da caixa de modo que o momento seja conservado quando a luz for cemitida. Como p é pequeno e M é grande, o cálculo pode ser feito usando a mecânica clássica. (b) Quando aluz for absorvida na parede da direita da caixa, a caixa pára tal que, o momento total permanece nulo. Se avelocidade, muito pequena da caixa, for desprezada, o tempo que a radiação leva para cobrir o comprimento dacaixa é Δt = L . Achar a distância Δ x que a caixa percorre neste intervalo de tempo. (c) Mostrar que, se o c Mx1 + mx2centro de massa xCM = do sistema permanece imóvel, como se espera, a radiação deve ter uma M +mmassa m E c2 132

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