Óptica introdução

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ÓPTICA Óptica é a parte da Física que estuda a luz e os fenômenos luminosos. Seu desenvolvimento se deu

a partir da publicação da Teoria Corpuscular da Luz, por Isaac Newton, teoria que admitia que a luz era formada por um feixe de partículas.

A Luz é uma onda eletromagnética e sua velocidade no vácuo é de aproximadamente 3,0 x 105 km/s. A óptica é dividida em:

• Óptica Geométrica: Estuda os fenômenos luminosos baseados em leis empíricas (experimentais), que são explicados sem que haja necessidade de se conhecer a natureza física da luz. A óptica geométrica usa como ferramenta de estudo a geometria.

• Óptica Física: Estuda a compreensão da natureza física da luz e fenômenos como interferência, polarização, difração, dispersão entre outros.

A NATUREZA DA LUZ Na Antiguidade alguns filósofos gregos acreditavam que a luz era formada por pequenas partículas,

as quais se propagavam em linha reta e com alta velocidade. Essas idéias permaneceram imutáveis por muito tempo até que, por volta do ano de 1500, Leonardo da Vinci percebeu a semelhança entre a reflexão da luz e o fenômeno do eco e levantou a hipótese de que a luz era um movimento ondulatório. Na busca pela definição sobre a natureza da luz surgiram, no século XVII, duas correntes de pensamento científico: a teoria corpuscular da luz, que era defendida por Newton; e o modelo ondulatório da luz, que era defendido por Christian Huyghens. Segundo Isaac, a luz era formada por partículas; já Huyghens defendia a hipótese de que a luz era uma onda. Essas duas correntes provocaram intensas polêmicas entre os cientistas da época, fato esse que marcou a história da física. No entanto, o conhecimento sobre a verdadeira natureza da luz só foi descoberto no século XIX, após a morte dos defensores dessas teorias.

Modelo corpuscular da luz Newton tentou justificar sua teoria afirmando que a luz se comportava como pequenas esferas, as

quais colidiam elasticamente com uma superfície lisa, sendo refletida de modo que o ângulo de incidência fosse igual ao ângulo de refração. Assim, segundo o fenômeno da reflexão, Newton considerava a luz como sendo constituída por um conjunto de partículas que se refletem elasticamente sobre uma superfície.

Modelo ondulatório O modelo ondulatório proposto e defendido por Huyghens dizia que a luz era uma onda e ela

explicava de forma significativa a reflexão e a refração da luz. Como sabemos, qualquer onda se reflete e refrata de acordo com as leis da reflexão e da refração dos feixes luminosos. Observações sobre esses fenômenos levaram os cientistas a favorecer o modelo ondulatório proposto por Huyghens, pois a teoria de Newton não se verificava na prática.

FONTES DE LUZ Fontes primárias ou corpos luminosos São representados pelos corpos que emitem luz própria, como o Sol, o filamento de uma lâmpada

acesa, a chama de uma vela ou uma barra de ferro incandescente, por exemplo. Em geral ocorrem reações em cada um desses elementos que transformam um tipo de energia em energia luminosa.


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Fontes secundárias ou corpos iluminados São os corpos que recebem a luz de outras fontes e enviam de volta uma fração dessa luz. Podemos

citar como exemplo de fontes secundárias os planetas, os satélites naturais e artificiais e maioria dos copos que nos cercam, como carros, casas, mesas, lápis etc.

Fontes pontuais Recebem essa denominação as fontes de luz que apresentam dimensões

desprezíveis em relação às distâncias que as separam do outros corpos. Nesse caso, consideramos que todos os raios de luz são emitidos de um único ponto. Como por exemplo, podemos citar a chama de uma vela ou de uma lâmpada pequena quando ilumina um ambiente.

Fontes extensas Quando as dimensões da fonte de luz são relevantes

em comparação com as distâncias entre os corpos, dizemos que se trata de uma fonte extensa de luz. Nesse caso, consideramos que os raios luminosos são provenientes de toda a extensão do corpo. Podemos considerar o Sol iluminando a Terra ou uma lâmpada fluorescente iluminando uma sala como exemplo de fontes de luz extensas.

PROPAGAÇÃO DA LUZ Raio de luz Denominados raio de luz a linha reta

orientada que representa, geometricamente, a propagação da luz. Por vezes, observando a luz que atravessa a fresta de uma porta num quarto escuro ou os raios solares penetrando em uma viela ou floresta, podemos “visualizar” os raios de luz.

Feixe ou pincel de luz È um conjunto de raios de luz que se propaga pelo espaço. Feixe cilíndrico ou paralelo é representado por raios de luz paralelos. Os raios solares, ao atingirem

a superfície terrestre, podem ser considerados como um feixe paralelo.


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O feixe cônico pode ser divergente ou convergente. No caso do feixe divergente, os raios de luz que o compõem partem, ou parecem partir, de um ponto.

A iluminação feita por uma lanterna é um exemplo de um feixe divergente.

No caso do feixe convergente, todos os raios de luz do feixe se propagam em direção a um ponto.

Isso ocorre, por exemplo, com um feixe de luz que atravessa uma lente de aumento.

Velocidade da luz Apesar de ser muito rápida a luz tem uma velocidade finita. Essa velocidade de propagação no vácuo

é de cerca de 300 000 km/s ou 3 . 108 m/s. Para se ter uma idéia desse valor, basta fazermos a relação de que em apenas 1 s a luz percorre a distância de 300 000 km. Na Física a velocidade da luz é simbolizada pela letra c e vale exatos 299 792,458 km/s.

Pelo fato de ser muito rápida, a luz é utilizada para medir grandes distâncias determinando o espaço percorrido por ela em certo tempo. Defini-se anos-luz como uma unidade de medida de comprimento, usada principalmente na medição de distâncias astronômicas, que corresponde à distância percorrida pela luz no vácuo, em um ano.

MEIOS FÍSICOS Ao atravessar os corpos, a luz se comporta de diferentes maneiras. De acordo com esse

comportamento, podemos classificar os meios. Meio transparente É um meio que permite a passagem da luz sem que haja muita

perda de energia. O vácuo é um meio transparente, embora outros meios, como a água, o ar e o vidro polido, por exemplo, possam ser considerados meios transparentes, quando em espessuras relativamente pequenas. Em geral, objetos colocados atrás desses meios podem ser visto com nitidez.

Meio translúcido


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É um meio que permite a passagem da luz com uma perda de

energia, ou seja, os raios de luz tem dificuldade em atravessá-lo. Assim, fontes de luz que se encontrem após esse meio não podem ser vistas com nitidez. Podemos citar as nuvens, o papel vegetal, o vidro fosco e alguns plásticos como exemplos.

Meios opacos São meios que não permitem a passagem da luz. São exemplos a

madeira, as superfícies metálicas, a terra, o petróleo e a maior parte das rochas.

PRINCÍPIOS DA ÓPTICA GEOMÉTRICA A – Princípio da propagação retilínea da luz: Em meios transparente e homogêneos, a luz se

propaga em linha reta.

B – Princípio da independência dos raios de luz: Um raio de luz não interfere no percurso do

outro. Vários observadores em uma sala enxergam nitidamente os objetos ali existentes.

C – Princípio da reversibilidade dos raios de luz: O caminho descrito por um raio de luz é

independente do sentido de propagação, ou seja, em determinado meio, se a luz faz determinado percurso, ela é capaz de fazer o mesmo percurso em sentido contrário.


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FENÔMENOS ÓPTICOS Quando um feixe de luz se propaga em determinado meio e atinge uma superfície de separação com

outro meio, ocorrem os seguintes fenômenos: reflexão, refração, absorção e dispersão. Quando estudamos um dos fenômenos, consideramos que ele ocorre isoladamente, mas de fato os três estão sempre presentes na interação entre a luz e um corpo (ou meio).

A - Reflexão da luz

A reflexão ocorre quando um feixe de luz incide sobre uma superfície e retorna ao meio de origem, onde se propagava anteriormente. No caso da reflexão da luz, vamos destacar duas situações: a reflexão regular e a reflexão difusa da luz.

Reflexão regular: acontece quando um feixe de luz atinge uma

superfície polida e é refletido de forma regular, isto é, caso a incidência seja de um feixe com raios paralelo, o feixe refletido também será paralelo.

Reflexão difusa: ocorre quando um feixe de luz incide numa superfície e volta de forma irregular, ou seja, propaga-se em todas as direções.

A cor de um corpo A reflexão difusa da luz permite entender por que, aos nossos olhos, os corpos apresentam cores

diferentes. Podemos dizer que a cor de um corpo, vista pelo olho humano, é determinada pela luz difundida por ele quando iluminado.

A luz branca do Sol apresenta um espectro de cores determinadas por uma freqüência da luz bem definida. Um objeto branco, ao ser iluminado pela luz branca, reflete (difunde) todas as cores, causando a impressão de um corpo branco. Um objeto preto, ao ser iluminado, absorve todas as cores, causando a impressão de um corpo preto.

O objeto branco reflete todas as cores.

O objeto vermelho reflete difusamente a luz vermelha.

O Objeto preto absorve toas as cores.

Luz branca

Luz vermelha

Luz branca

Luz branca

Luz branca


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A rigor identificamos um corpo verde, e aí cabe dizer que os pigmentos não possuem cores precisas,

é possível que ele reflita em pequenas quantidades outras cores, porém, a cor predominante é sempre o verde.

Os comprimentos de onda visíveis se encontram entre 380 e 750 nanômetros, ou as frequências

entre 4,3 . 1014 Hz a 7,5 . 1014 Hz. Ondas mais curtas (ou com maiores frequências) abrigam o ultravioleta, os raios-X e os raios gama. Ondas mais longas (com menores frequências) contêm o infravermelho, o calor, as microondas e as ondas de rádio e televisão. O aumento de intensidade pode tornar perceptíveis ondas até então invisíveis, tornando os limites do espectro visível algo elástico.

B – Refração da luz A refração da luz ocorre quando a luz incide numa superfície que separa dois meios transparentes e,

atravessando-a, propaga-se no outro meio. Quando isso acontece, a luz pode sofrer mudança na direção de sua trajetória.

C – Absorção O fenômeno da absorção consiste na transformação de

energia luminosa em energia térmica, principalmente. Nesse caso, consideramos que a maior parte da radiação incidente é retida no corpo. Nas pavimentações de ruas e estradas, é habitual sinalizar o asfalto com faixas e letras brancas ou amarelas. Assim, a camada negra do asfalto absorve a luz, e as faixas e letras brancas ou amarelas difundem a luz, auxiliando a visão do motorista.

D – Dispersão da luz Nossa visão não permite perceber que a

luz branca é formada por várias cores, mas quando fazemos uso de um instrumento óptico, como o prisma, esse fato fica evidente. Por ser formada por várias cores, a luz branca é denominada policromática (poli: muitas; cromática: cores).

O espectro de cores formado ocorre por causa da dispersão luminosa, e cada “luz” que o compões, luz monocromática, possui determinada


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característica física, a freqüência. O fenômeno da dispersão é um desdobramento da refração, quando a radiação interage com o novo meio de propagação.

EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO

01. (Fei) A luz solar se propaga e atravessa um meio translúcido. Qual das alternativas a seguir representa o que acontece com a propagação dos raios de luz? a)

d)

b)

e)

c)

02. Qual a distancia da Terra a uma estrela, cuja luz é recebida após 10 anos-luz? 03. Uma estrela encontra-se a cerca de 20 anos-luz da Terra. a) Qual é a distancia entre a estrela e a Terra? b) Depois de quanto tempo a luz emitida pela estrela atinge a Terra? 04. (Unesp) Quando um feixe de luz, propagando-se no ar, incide sobre a superfície plana de separação entre o ar e um meio transparente como, por exemplo, a água ou o vidro, ocorrem simultaneamente a refração e a reflexão. Nesse caso dizemos que a luz sofre uma reflexão parcial. Descreva sucintamente pelo menos uma situação, presenciada por você no decorrer de sua vida diária, que sirva como uma evidência para isso, ou seja, que nos mostre que nesses casos a luz também sofre reflexão. 05. (Unesp) Em 3 de novembro de 1994, no período da manhã, foi observado, numa faixa ao sul do Brasil, o último eclipse solar total do milênio. Supondo retilínea a trajetória da luz, um eclipse pode ser explicado pela participação de três corpos alinhados: um anteparo, uma fonte e um obstáculo. a) Quais são os três corpos do Sistema Solar envolvidos nesse eclipse? b) Desses três corpos, qual deles faz o papel: De anteparo? De fonte? De obstáculo? 06. Se iluminarmos um objeto, que sob luz branca, é amarelo, com luz azul, que cor ele apresentará? 07. (Ufes) Um objeto amarelo, quando observado em uma sala iluminada com luz monocromática amarela, será visto a) amarelo. b) azul. c) preto. d) violeta. e) vermelho. 08. (Unitau) Dois raios de luz, que se propagam num meio homogêneo e transparente, se interceptam num certo ponto. A partir deste ponto, pode-se afirmar que: a) os raios luminosos se cancelam. b) mudam a direção de propagação. c) continuam se propagando na mesma direção e sentindo que antes. d) se propagam em trajetórias curvas.


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e) retornam em sentido opostos. 09. Uma camisa apresenta listras nas cores verde e branca, quando iluminada com luz branca. Em um recinto iluminado com luz vermelha monocromática, em que cores se apresentarão as listras? 10. Três corpos A, B e C expostos à luz branca apresentam-se, respectivamente, nas cores azul, branca e vermelha. Que cores apresentarão estes corpos, quando vistos através de um filtro vermelho? 11. Um edifício projeta no solo uma sombra de 30m. No mesmo instante, um observador toma uma haste vertical de 0,70m e nota que sua sombra mede 0,50m. Qual a altura do edifício? 12. Para determinar a altura de uma torre, um homem de 1,70 m de altura mediu os comprimentos da sombra da torre e de sua sombra, respectivamente, os valores 40 m e 1,0 m. Determine a altura da torre. 13. A 1,8 m acima do centro de uma mesa quadrada de madeira, de lado igual a 1,5 m, é fixada uma lâmpada puntiforme O. Determine a área da sombra projetada da mesa sobre o solo, sabendo-se que a altura da mesa é 1,2 m. 14. Um feixe de luz, partindo de uma fonte puntiforme, incide sobre um disco de 10 cm de diâmetro. Sabendo-se que a distância da fonte ao disco é 1/3 da distância deste ao anteparo e que os planos da fonte, do disco e do anteparo são paralelos, determine: a) o raio da sombra projetada sobre o anteparo. b) a área da sombra projetada. 15. Um objeto linear esta situado a 20cm de uma câmara escura de orifício, de comprimento 30cm. Sabendo que a altura da imagem projetada é de 6,0cm, determine a altura do objeto. 16. Um objeto de 4,0 m de altura é colocado a 2,0 m de uma câmara escura de orifício, que possui 20 cm de profundidade. Qual o tamanho da imagem formada no fundo da câmara escura? 17. Um objeto linear encontra-se a 15 cm de uma câmara escura de orifício e sua imagem projetada tem altura x1. Aumentado a distância do objeto à câmara para 20 cm, a altura da imagem passa a ser x2. Determine a relação x1 / x2.

18. O filamento de uma lâmpada: a) é necessariamente uma fonte primaria de luz. b) é necessariamente uma fonte pontual. c) é necessariamente uma fonte extensa. d) pode ser uma fonte secundaria de luz. 19. Considere uma bandeira brasileira tingida com pigmentos puros. Se a iluminássemos exclusivamente com luz azul monocromática, ela seria vista com que cores? 20. Um eclipse solar só pode ocorrer quando: a) é fase de lua nova. b) é fase de lua em quarto crescente. c) é fase de lua cheia d) é fase de lua em quarto minguante. 21. Uma câmara escura de orifício apresenta comprimento de 30 cm. De uma pessoa de 1,80 m de altura obtém-se uma imagem de 20 cm de altura. Determine a distancia da pessoa até a parede da câmara que contêm o orifício. 22. Qual o valor de um minuto-luz? Dado que a velocidade da luz no vácuo é de 300.000 km/s. 23. A luz do Sol leva 8 min e 20s para chegar à Terra. Sendo 3.108 m/s a velocidade de propagação da luz no vácuo, determine a distancia do Sol a Terra. 24. Um quadro coberto com uma placa de vidro plano, não pode ser visto tão nitidamente quanto outro não coberto, porque o vidro:


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a) é opaco; b) é transparente; c) não reflete a luz; d) reflete parte da luz; 25. Você pode ver a folha de um livro, porque ela: a) é feita de celulose; b) possui luz e a emite; c) é branca e absorve a luz; d) difunde a luz para seus olhos; 26. Qual das afirmações abaixo é correta? a) a velocidade da luz é igual a velocidade do som; b) a luz se propaga em linha reta; c) a velocidade da luz solar é maior que a da luz de uma vela; d) a luz não se propaga no vácuo; 27. O vidro fosco é um meio: a) opaco; b) translúcido; c) transparente; d) nenhuma das anteriores; 28. À medida que a luz solar penetra na água, em locais de grande profundidade, ela vai se transformando em outro tipo de energia (geralmente em energia calorífica). Este fenômeno é conhecido por: a) difusão; b) mutação; c) absorção; d) refração; 29. Os corpos que permitem a passagem parcial da luz se chamam: a) opacos; b) transparentes; c) translúcidos; d) luminosos; 30. A luz se propaga: a) em linha curva; b) somente no ar; c) num só sentido; d) em linha reta; 31. Quando ocorre um eclipse parcial do Sol, o observador se encontra: a) na sombra; b) na penumbra; c) na região plenamente iluminada; d) nenhuma das anteriores; 32. Uma fonte luminosa projeta luz sobre as paredes de uma sala; um pilar intercepta parte desta luz. A penumbra que se observa é devida: a) ao fato de não ser pontual a fonte luminosa; b) ao fato de não se propagar a luz em linha reta; c) aos fenômenos de interferência da luz depois de tangenciar os bordos do pilar; d) aos fenômenos de difração; 33.. À noite, numa sala iluminada, é possível ver os objetos da sala por reflexão numa vidraça melhor do que durante o dia. Isso ocorre porque, à noite: a) aumenta a parcela de luz refletida pela vidraça; b) não há luz refletida pela vidraça; c) diminui a parcela de luz refratada, proveniente do exterior; d) aumenta a parcela de luz absorvida pela vidraça; 34. Um observador A, olhando num espelho, vê um outro observador B. Se B olhar no mesmo espelho, ele verá o observador A. Esse fato é explicado pelo: a) princípio da propagação retilínea da luz; b) princípio da independência dos raios luminosos; c) princípio da reversibilidade dos raios luminosos; d) princípio da propagação curvilínea da luz; 35. Dois faroletes emitem feixes de luz que se interceptam. Após o cruzamento dos feixes: a) um feixe se reflete no outro feixe; b) os dois feixes se juntam formando um único feixe; c) os feixes continuam sua propagação como se nada tivesse acontecido; d) os feixes diminuem de intensidade;


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36. Uma lâmpada apagada não pode ser vista no escuro porque: a) ela não é fonte de luz primária mesmo quando acesa; b) ela é uma fonte secundária de luz; c) ela é uma fonte primária de luz; d) o meio não é transparente; 37. Dentre as alternativas escolha a que contém apenas fontes primárias de luz: a) pilha de lanterna, Sol e fósforo; b) Sol, Lua e lâmpada elétrica; c) Lâmpada elétrica, fósforo e Sol; d) Sol, lâmpada acesa e estrelas; 38. A sombra de uma nuvem sobre o solo tem a mesma forma e o mesmo tamanho que a própria nuvem porque os raios solares são: a) praticamente paralelos; b) muito divergentes; c) pouco numerosos; d) todos convergentes a um mesmo ponto; e) muito numerosos; 39. Qual dos seguintes objetos seria visível numa sala perfeitamente escurecida? a) um espelho; b) qualquer superfície clara; c) um fio aquecido ao rubro; d) uma lâmpada desligada; e) um gato preto; 40. Os eclipses do Sol e da Lua comprovam o princípio da: a) reversibilidade dos raios luminosos; b) independência dos raios luminosos; c) refração da luz; d) propagação retilínea;


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GABARITO 01. OPÇÃO A. 02. 1 ano-luz _____ 9,5 . 1012 km 10 anos-luz ____ x x = 9,5 . 1013 km 03. a) 1 ano-luz _____ 9,5 . 1012 km 20 anos-luz ____ x x = 190 . 1012 x = 1,9 . 1014 km

b) c = 3 . 105 km/s c = d → 3 . 105 = 1,9 . 1014 → 3 . 105 d = 1,9 . 1014

t d d = 1,9 . 1014 = 0,63 . 109 = 6,3 . 108 s 3 . 105

04. A superfície de um lago quando a água está praticamente parada. 05. a) Os corpos do nosso sistema solar envolvidos são: Terra, Lua e Sol. b) No eclipse solar a Lua será o obstáculo e a Terra o anteparo, quando o eclipse for lunar a Luar será o anteparo e a Terra o obstáculo. 06. Sabemos então que o objeto é amarelo, pois quando iluminado com luz branca se mostra amarelo. Agora quando este objeto amarelo for iluminado por uma luz azul este a absorverá ficando preto. 07. OPÇÃO A. 08. OPÇÃO C. 09. Podemos perceber que a camisa apresenta listras nas cores verde e branca que quando iluminadas pela luz monocromática vermelha ficará na cor preta e vermelha, pois o verde irá absorver e a braça irá refletir a luz monocromática vermelha. 10. Através do filtro os corpos ficarão, respectivamente, com cores preta, vermelha e vermelha, pois o objeto azul absorve, o objeto branco e o vermelho refletem a luz vermelha. 11.

H = 0,7 → 0,5 H = 21 30 0,5 H = 21 → H = 42 m 0,5

edifício

haste H

30 m 0,50 m

0,70 m


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12.

H = 1,7 → H = 68 m 40 1

13.

1,8 = 3 → 1,8L = 4,5 → L = 4,5 = 2,5 m 1,5 L 1,8 Sendo um quadrado a área da sombra da mesa projetada será: A = L2 = 2,52 = 6,25 m2

14.

a) x/3 = 4x/3 10 D Dx = 40x 3 3 D = 40 cm R = 20 cm

b) A = πR2 A = π 202 A = 400π cm2

15.

6 = 30 O 20 30 O = 120 O = 120 = 40 cm 30

20 cm

30 cm

6,0 cm

O

torre

homem H

40 m 1,0 m

1,70 m

x/3

x

10 cm

D

4x/3

1,5 m

L

1,2 m

1,8 m

1,2 m

1,8 m

1,5 m

L


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16.

i = 0,2 4 2 2 i = 0,8 i = 0,8 = 0,4 m = 40 cm 2

17. Situação 1:

X1 = Y X1 = Yo o 15 15

Situação 2:

X1 = Y X1 = Yo o 20 20

Agora vamos calcular a razão x1/x2

Yo X1 = 15 = Yo . 20 = 20 = 4 X2 Yo 15 Yo 15 3 20 18. OPÇÃO D. 19. Ela seria vista nas cores preta e azul. 20. OPÇÃO A. 21.

20 = 30 180 P 20 P = 2400 P = 2400 = 120 cm = 1,2 m 20

22. c = 300 000 km/s d = ? t = 1 min = 60 s

c = d → 300 000 = d → d = 18 000 000 km = 1,8 . 107 km t 60

23. c = 3 108 m/s d = ? t = 8 min 20 s = 500 s

c = d → 3 . 108 = d → d = 15 . 1010 m t 5 . 102 d = 1,5 . 1011 m = 1,5 . 108 km

24. 25. 26. 27. 28. 29. OPÇÃO D. OPÇÃO D. OPÇÃO B. OPÇÃO B. OPÇÃO C. OPÇÃO C. 30. 31. 32. 33. 34. 35. OPÇÃO D. OPÇÃO B. OPÇÃO A. OPÇÃO C. OPÇÃO C. OPÇÃO C.

P

30 cm

20 cm

1,8m

20 cm

Y

X2

o

15 cm

Y

X1

o

2 m

20 cm

i

4 m


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36. 37. 38. 39. 40. OPÇÃO B. OPÇÃO D. OPÇÃO A. OPÇÃO C. OPÇÃO D.

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