Enunciado

Os tubos de raios catódicos (CRT, do inglês cathode-ray tubes) são geralmente encontrados em osciloscópios e monitores de computador. Na figura abaixo, um elétron com velocidade inicial de 6,5 ⋅ 10 6   m / s é projetado ao longo do eixo até o meio da trajetória entre as placas de reflexão de um tubo de raios catódicos. O campo elétrico uniforme entre as placas possui módulo 1,1 ⋅ 10 3   V / m e está orientado de baixo para cima.

a)Qual é a força (módulo, direção e sentido) que atua sobre o elétron quando ele está entre as placas?

b)Qual é a aceleração do elétron (módulo, direção e sentido) quando ele sofre a ação da força obtida no item (a)?

c)Qual é a distância abaixo do eixo percorrido pelo elétron, quando ele atinge o final das placas?

d)Qual é o ângulo dele em relação ao eixo quando se move para deixar as placas

e)A que distância abaixo do eixo ele atingirá a tela fluorescente?

Passo 1

letra a)

Quando o elétron está entre as placas ele sofre ação da força elétrica.

F e _ = q E _

Como o campo elétrico está direcionado de baixo para cima podemos dizer que ele está no eixo y no sentido positivo:

F e _ = - 1,6 ⋅ 10 - 19 1,1 ⋅ 10 3 y ^

F e _ = 1,7610 - 16 ( - y ^   ) N

Passo 2

letra b)

Pela 2° lei de Newton podemos escrever:

F e _ = m a _

a _ = F e _ m

a _ = 1,7610 - 16 ( - y ^   )   9,11 ⋅ 10 - 31

a _ = 1,93 ⋅ 10 14   ( - y ^   )   m / s 2

Passo 3

letra c)

Queremos saber a variação da posição do elétron no eixo y.

Lembrando que ele está se movendo tanto no eixo x quanto no eixo y.

O que isso significa??????

LANÇAMENTO OBLÍQUO!!!

Podemos tratar esse tipo de questão como uma questão de lançamento oblíquo.

Passo 4

No eixo x:

a x = 0   ,   v o x = 6,5 ⋅ 10 6   m / s  

Δ x = x - x o = 6   c m = 0,06   m

A partir da fórmula da posição temos:

x - x o =   v o x t + 1 2 a x t 2

0,06 = 6,5 ⋅ 10 6 ⋅ t

t = 9,231 ⋅ 10 - 9   s

Passo 5

No eixo y:

a y = 1,93 ⋅ 10 14   m / s 2   ,   v o y = 0  

Queremos Δ y e sabemos que t = 9,231 ⋅ 10 - 9   s

Δ y = y - y o = v o y t + 1 2 a y t 2

Δ y = 0 + 1 2 ⋅ 1,93 ⋅ 10 14 ⋅ 9,231 ⋅ 10 - 9 2

Δ y = 8,22 ⋅ 10 - 3 m

Passo 6

letra d)

Para achar o ângulo, podemos relacionar as componentes da velocidade como na figura abaixo.

Pelo desenho vemos que podemos relacionar o ângulo α com as componentes da velocidade a partir da relação:

t g   α = v y v x

Passo 7

Precisamos agora achar v x e v y :

v x =   v o x + a x t → v x = 6,5 ⋅ 10 6   +   0 ⋅ 9,231 ⋅ 10 - 9 → v x = 6,5 ⋅ 10 6   m / s

v y =   v o y + a y t → v y = 0 + 1,93 ⋅ 10 14 ⋅ 9,231 ⋅ 10 - 9 → v x = 1,782 ⋅ 10 6   m / s

Passo 8

Substituindo na expressão:

t g   α = 1,782 ⋅ 10 6 6,5 ⋅ 10 6   = 0,2742

α = 15,3 °

Passo 9

letra e)

Como no item (c) usaremos

LANÇAMENTO OBLÍQUO!!!

Passo 10

No eixo x:

a x = 0   ,   v o x = 6,5 ⋅ 10 6   m / s  

Δ x = x - x o = 12   c m = 0,12   m

A partir da fórmula da posição temos:

x - x o =   v o x t + 1 2 a x t 2

0,12 = 6,5 ⋅ 10 6 ⋅ t

t = 1,846 ⋅ 10 - 8   s

Passo 11

No eixo y:

A partir do item (d):

a y = 0   ,   v o y = 1,782 ⋅ 10 6   m / s  

Queremos Δ y e sabemos que t = 1,846 ⋅ 10 - 8   s

Δ y = y - y o = v o y t + 1 2 a y t 2

Δ y = 1,782 ⋅ 10 6 ⋅ 1,846 ⋅ 10 - 8 + 0

Δ y = 3,29 ⋅ 10 - 2 m

Passo 12

Quando está entre as placas, o elétron se move 8,22 ⋅ 10 - 3 m

Quando sai das placas, o elétron se move 3,29 ⋅ 10 - 2 m

Δ y t = 8,22 ⋅ 10 - 3 + 3,29 ⋅ 10 - 2

Δ y t = 4,11 ⋅ 10 - 2   m

Resposta

letra a) F e _ = - 1,7610 - 16 y ^   N

letra b) a _ = 1,93 ⋅ 10 14   ( - y ^   )   m / s 2

letra c) Δ y = 8,22 ⋅ 10 - 3 m

letra d) α = 15,3 °

letra e) Δ y t = 4,11 ⋅ 10 - 2   m

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