Aula de Problemas 1. Problema 1. Demonstre o teorema de Pitágoras (geometria euclidiana):

Documentos relacionados
Num primeiro programa MATLAB, intitulado PA_1, ilustre a demonstração gráfica do teorema de Pitágoras.

Teste de Fotónica Resolução 27 de Abril de Duração: 1 hora 30 minutos Teste de 27 de Abril de 2017 Ano Lectivo: 2016 / 2017

Aula de Programas 4. Introdução

DEEC Área Científica de Telecomunicações Instituto Superior Técnico. Propagação & Antenas Prof. Carlos R. Paiva SOBRE O CONCEITO DE SIMULTANEIDADE

Coordenadas e distância na reta e no plano

Equilocs & Equitemps 1

Propagação e Antenas Teste 9 de Novembro de Duração: 2 horas 9 de Novembro de 2015

GEOMETRIA Exercícios

LINHAS DE TRANSMISSÃO

Vectores e Geometria Analítica

Escola Secundária com 3º ciclo D. Dinis 10º Ano de Matemática A Funções e Gráficos Generalidades. Funções polinomiais. Função módulo.

Fotónica. Nesta primeira parte do trabalho pretende-se obter uma representação gráfica da curva lemniscata de Bernoulli.

ALGA /09 - Geometria Analítica 78. Geometria Analítica

Material Teórico - Módulo: Vetores em R 2 e R 3. Módulo e Produto Escalar - Parte 1. Terceiro Ano - Médio

MAT001 Cálculo Diferencial e Integral I

B equação de Maxwell-Faraday E t lei de Gauss magnética B 0. equação de Maxwell-Ampère

Capítulo Coordenadas no Espaço. Seja E o espaço da Geometria Euclidiana tri-dimensional.

Introdução à Geometria

Espectro da radiação electromagnética

( 1 a,a 2, 5 ), sendo a um número real. Qual é o conjunto de valores de a para os quais P

Universidade de Aveiro Departamento de Electrónica, Telecomunicações e Informática. Transformações 2D

UNIDADE 1 ESTATÍSTICA E PROBABILIDADES 9 tempos de 45 minutos

Teste de avaliação (Versão B) Grupo I

Teste de avaliação (Versão A) Grupo I

ESCOLA SECUNDÁRIA COM 3º CICLO D. DINIS 10º ANO DE MATEMÁTICA A. Ficha de revisão nº 14

DEEC Área Científica de Telecomunicações Instituto Superior Técnico. Fotónica Prof. Carlos R. Paiva SOBRE O CONCEITO DE SIMULTANEIDADE

r : Exemplo: Considere a reta r :

AS CÓNICAS. Alguns exemplos notáveis

TEMA 2 GEOMETRIA ANALÍTICA FICHAS DE TRABALHO 11.º ANO COMPILAÇÃO TEMA 2 GEOMETRIA ANALÍTICA

54 CAPÍTULO 2. GEOMETRIA ANALÍTICA ( ) =

Coordenadas Cartesianas

ALGA - Eng. Civil e Eng. Topográ ca - ISE / Geometria Analítica 89. Geometria Analítica

Escola Secundária com 3º ciclo D. Dinis 11º Ano de Matemática A Tema I Geometria no Plano e no Espaço II. 2º Teste de avaliação.

54 CAPÍTULO 2. GEOMETRIA ANALÍTICA ( ) =

Capítulo 12. Ângulo entre duas retas no espaço. Definição 1. O ângulo (r1, r2 ) entre duas retas r1 e r2 é assim definido:

Trigonometria no Círculo - Funções Trigonométricas

Prof. Marcelo França

Aplicação da Álgebra Linear à Geometria (1/2) 1. Geometria a m: rectas e planos

Escola Secundária com 3º ciclo D. Dinis. 10º Ano de Matemática A. Geometria no Plano e no Espaço I

Lista 6: transformações lineares.

Retas e círculos, posições relativas e distância de um ponto a uma reta

Apontamentos III. Espaços euclidianos. Álgebra Linear aulas teóricas. Lina Oliveira Departamento de Matemática, Instituto Superior Técnico

Produto interno e produto vetorial no espaço

Escola Secundária com 3º ciclo D. Dinis 11º Ano de Matemática A Tema I Geometria no Plano e no Espaço II. 2º Teste de avaliação.

ESCOLA SECUNDÁRIA COM 3º CICLO D. DINIS COIMBRA 11º ANO DE ESCOLARIDADE MATEMÁTICA A. Ficha de revisão n.º 3

Escola Secundária com 3º ciclo D. Dinis. 10º Ano de Matemática A. Geometria no Plano e no Espaço I

Aula 2 A distância no espaço

Definição (6.1): Definimos equação diferencial como uma qualquer relação entre uma função e as suas derivadas.

Aula 12. Ângulo entre duas retas no espaço. Definição 1. O ângulo (r1, r2 ) entre duas retas r1 e r2 se define da seguinte maneira:

ELIPSE. Figura 1: Desenho de uma elipse no plano euclidiano (à esquerda). Desenho de uma elipse no plano cartesiano (à direita).

aula6 2018/2 IC / UFF Como representar objetos 3D em dispositivos 2D?

Produto interno no espaço vectorial R n

Tecnologia em Construções de Edifícios

Álgebra Linear I - Aula 2. Roteiro

Fórmulas para os dióptricos e para os reflectores de revolução

LUZ. Forma de energia radiante que se propaga por meio de ondas eletromagnéticas. A velocidade da luz no vácuo é de cerca de km/s.

Ano lectivo 2010 / 2011 Conteúdos programáticos essenciais

Ponto 1) Representação do Ponto

Matemática /09 - Produto Interno 32. Produto Interno

Prova: Usando as definições e propriedades de números reais, temos λz = λx + iλy e

Geometria Analítica - Aula

J. Delgado - K. Frensel - L. Crissaff Geometria Analítica e Cálculo Vetorial

Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa Departamento de Física. Electromagnetismo e Óptica. Objectivo

Escola Secundária com 3º ciclo D. Dinis 11º Ano de Matemática A Tema I Geometria no Plano e no Espaço II. TPC nº 4 (entregar no dia )

Trigonometria no Círculo - Funções Trigonométricas

MATEMÁTICA BÁSICA II TRIGONOMETRIA Aula 05

PROPOSTA DE RESOLUÇÃO DA PROVA DE MATEMÁTICA A DO ENSINO SECUNDÁRIO (CÓDIGO DA PROVA 635) 2ª FASE 20 DE JULHO 2018 CADERNO 1

Aula Elipse. Definição 1. Nosso objetivo agora é estudar a equação geral do segundo grau em duas variáveis:

Objetivos. em termos de produtos internos de vetores.

ANTENAS E PROPAGAÇÃO MEAero 2010/2011

Matemática A. Versão 2 RESOLUÇÃO GRUPO I. Teste Intermédio de Matemática A. Versão 2. Teste Intermédio. Duração do Teste: 90 minutos

Grupo I. e ( 10,α ) sejam as coordenadas, num referencial o.n. (C) 6 (D) 8

Deste modo, ao final do primeiro minuto (1º. período) ele deverá se encontrar no ponto A 1. ; ao final do segundo minuto (2º. período), no ponto A 2

Ondas. Jaime Villate, FEUP, Outubro de 2005

Posição relativa entre retas e círculos e distâncias

FACULDADE PITÁGORAS DE LINHARES Prof. Esp. Thiago Magalhães

SOBRE O CONCEITO DE SIMULTANEIDADE. FOTÓNICA Prof. Carlos R. Paiva UMA INTRODUÇÃO À TEORIA DA RELATIVIDADE RESTRITA

n 1 senθ 1 = n 2 senθ 2 (1)

Expressões Algébricas

J. Sebastião e Silva, Compêndio de Matemática, 3º Volume DE MATEMATICA. SOLUÇÕES DOS EXERCfCIOS DO NúMERO ANTERIOR: (-5, 13), (O, 1/2), (5, - 25/2);

Seja f um endomorfismo de um espaço vectorial E de dimensão finita.

PROGRAMA ÁLGEBRA LINEAR, MEEC (AL-10) Aula teórica 32

ALGA - Eng. Civil e Eng. Topográ ca - ISE /11 - Geometria Analítica 88. Geometria Analítica

Geometria Analítica. Katia Frensel - Jorge Delgado. NEAD - Núcleo de Educação a Distância. Curso de Licenciatura em Matemática UFMA

GERAIS. Para além dos objectivos do domínio dos valores e atitudes, Desenvolver a capacidade de comunicar; Usar Noções de lógica.

CDA AD CD. 2cos 2sen 2 2cos sen 2sen 2 2 A A A A

Matemática I. 1 Propriedades dos números reais

0 < c < a ; d(f 1, F 2 ) = 2c

GEOMETRIA ANALÍTICA. Professor Jairo Weber

UC: STC 6 Núcleo Gerador: URBANISMO E MOBILIDADES Tema: Construção e Arquitectura Domínio de Ref.ª:RA1 Área: Ciência

Diagramas de Minkowski: dilatação do tempo e contracção do espaço

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Rio Grande do Sul Campus Rio Grande CAPÍTULO 4 GEOMETRIA ANALÍTICA

ESCOLA SECUNDÁRIA COM 3º CICLO D. DINIS COIMBRA 11º ANO DE ESCOLARIDADE MATEMÁTICA A FICHA DE AVALIAÇÃO Nº 5

Proposta de teste de avaliação

Escola Secundária com 3º Ciclo D. Dinis. Ficha de Apoio nº2

Introdução: A necessidade de ampliação dos conjuntos Numéricos. Considere incialmente o conjunto dos números naturais :

Análise Matemática 2 FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO. Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Escola Secundária com 3º ciclo D. Dinis 10º Ano de Matemática A TEMA 1 GEOMETRIA NO PLANO E NO ESPAÇO I. TPC nº 3

Transcrição:

Aula de Problemas 1 Problema 1 Demonstre o teorema de Pitágoras (geometria euclidiana): sin cos 1. Mostre que outra forma de exprimir este teorema é a seguinte: ab ab a b, em que ab, 3. Faz-se a a e b b. Como é sabido, tem-se: a b a b cos, ab a b sin. Propagação & Antenas Página 1

Nota Neste problema pretende-se uma demonstração sintética, ao espírito de Euclides, do teorema de Pitágoras, i.e., não se pretende uma demonstração analítica. Toda a geometria euclidiana baseia-se na métrica euclidiana. Por exemplo, a proposição cosh sinh 1 pode considerar-se uma versão alternativa, com uma métrica não euclidiana, do teorema de Pitágoras. Consegue entender e explicar geometricamente essa diferença? Problema Prove a fórmula de Euler: i e cos isin. Com base nesta fórmula, prove que Propagação & Antenas Página

cos cos sin sin sin cos e, em consequência, que 1 cos cos 1 cos sin tendo-se, ainda, sin 1 cos tan 1 cos sin. Nota 1 Considere os seguintes desenvolvimentos em série para a definição das respectivas funções: e x k x exp x, sinx 1 k! k 0 ix ainda, que se pode escrever: e expix x k 1 k, cos x 1 k 0 k 1! k0 k 0 ix. k! k k k x. Admita, k! Nota Tenha ainda em consideração que, de expi expi expi da fórmula de Euler, cos isin cos isin (também) decorre que: resulta, por aplicação. Note, além disso, que daqui cos cos sin 1 sin cos 1. Nota 3 Quando se faz na fórmula de Euler, em que cos 1 e sin 0, obtém-se a célebre fórmula (por muitos considerada a mais bela fórmula da matemática): e i 1 0. Propagação & Antenas Página 3

Problema 3 Prove a lei dos co-senos e a lei dos senos num triângulo. Use, apenas, o cálculo vectorial. Nota - A resolução deste problema encontram-se nas duas figuras seguintes. Faz-se: a a, b b, c c. Propagação & Antenas Página 4

Problema 4 Mostre que a rotação dos eixos x, y para o novo sistema de eixos x, y pode ser descrita pela matriz cos sin x x R sin cos R. y y Mostre, ainda, que x x y R y. O ponto P x, y é representado pelo par ordenado, coordenadas XY,. O ponto P x, y é representado pelo par ordenado x, y no sistema de coordenadas X, Y. x y no sistema de Propagação & Antenas Página 5

Nota Apresentam-se, de seguida, duas resoluções distintas deste problema: (i) uma primeira resolução gráfica a que permite uma melhor compreensão geométrica; (ii) uma segunda resolução algébrica. Primeira Resolução Considere-se a figura seguinte. Desta figura resulta, por inspecção, que x x cos y sin x cos sin x y y cos x sin y sin cos. y Infere-se, deste modo, que se tem efectivamente Propagação & Antenas Página 6

cos sin R det R cos sin 1. sin cos A matriz inversa corresponde a ter-se x cos sin 1 x 1 1 y R y R sin cos R R. Note-se que se tem cos 1 x x, 0 sin 0 y y, e, ainda, cos 0 x y, sin 1 y x. Introduzindo, em relação ao sistema de coordenadas XY,, os vectores unitários 1 0 e1, e, 0 1 podemos escrever x X Y OP. y, r xe1 ye Analogamente, em relação ao sistema de coordenadas X, Y, vem 1 0 f1, f, 0 1 donde x X Y OP. y, r x f1 y f Podemos definir o referencial S tal que S X, Y e o referencial S tal que, Nestas condições, temos as seguintes bases standard S X Y. Propagação & Antenas Página 7

B S e, e, B S f, f. Logo, infere-se que 1 1 x e y e xf yf pelo que 1 1 f f f x f f x cos y sin 1 y cos x sin f cos sin sin cos y 1 1 e1 cos f1 sin f e1 f1 f1 e1 R R. e sin f1 cos f e f f e Segunda Resolução Considerem-se coordenadas polares, em que x cos x cos y sin y sin tendo-se, ainda, onde é o ângulo de rotação de x cos, y sin. Mas, por outro lado, tem-se cos cos cos sin sin, sin sin cos cos sin. Logo, daqui resulta que X, Y em relação a, XY. Portanto vem x cos cos sin sin x x cos y sin y sin cos cos sin y y cos x sin QED Propagação & Antenas Página 8

Problema 5 Represente graficamente a função f x bem como 0, xl1 x L1, L1 x 0 L x, 0 x L 0, x L g x f x a para a L1 L. Fazendo a vt, note que g x f x vt f x e do parâmetro v. Verifique, então, que as funções f x vt para t 0 0 e t 0 f x vt para t0 0 e t 0 respectivamente das ondas f x vt e f x v t T 3.. Interprete fisicamente o significado g x são os perfis t0 x da onda T, respectivamente. Represente, agora, os perfis x da nova onda T. Represente, ainda, os andamentos t t0 e t x0,, no ponto x0 0. Considere: L1 1, L e x0 Propagação & Antenas Página 9

A figura anterior mostra a função f x em que L L1. Mais geralmente, existe uma classe de funções do tipo f x vt, em que v é uma velocidade e t é o tempo. O espaço encontra-se, para simplificar, reduzido a uma única dimensão à dimensão x. Nestas condições, a função f x representa f x vt t. Podemos, portanto, afirmar que dada a classe de para o instante 0 funções f x, t f x vt f x vt quando se faz t t0 em que 0 0 ao «congelar» o tempo obtêm-se «fotografias» instantâneas da onda t, obtém-se f x x. Define-se, então, t 0 0 t x f x vt. Ou seja: no caso particular 0 0. A próxima figura representa uma «fotografia» posterior. Considera-se, agora, um instante t 0 0 tal que vt0 L1 L L1 L1 3L1 (pois, como se disse, considera-se L L1). Para simplificar a nossa representação gráfica vai-se considerar que, numericamente, se tem v 1. Logo, para L1 1, a próxima figura corresponde a fazer-se t 0 3. A figura anterior é, simplesmente, uma translação: t0 x0 v (ou, numericamente, t 0 3 com v 1, L1 1 e L funções f x, t f x vt g x f x x 0, com x0 vt0, i.e., em que ). Por outras palavras: a classe de representa uma onda a propagar-se no sentido positivo do eixo x. Na realidade acabou-se de representar a função g x f x 3 e. 0 0 t x f x vt 0 0 t x f x vt. Em conclusão: tem-se Propagação & Antenas Página 10

De seguida vai-se considerar uma nova classe de funções: f x, t f x vt novamente, se tem f x f x vt. Note-se que, no caso particular em que t 0. Porém, suponhamos que se pretende, agora, obter uma «fotografia» da nova onda para o instante t0 3 (continuando a considerar 1 v ). Neste caso obtém-se uma nova função hx f x vt f x representa na figura seguinte.. É o que se 0 3 Por outras palavras: a classe de funções f x, t f x vt sentido negativo do eixo x. representa uma onda a propagar-se no Até aqui temos estado a analisar «fotografias» de ondas tiradas em determinados instantes, i.e., «congelando» o tempo. O caso f x vt corresponde a uma onda a deslocar-se para a direita. Por sua vez, o caso f x vt corresponde a uma onda a deslocar-se para a esquerda. Vejamos, de seguida, as mesmas duas ondas anteriores (a que se propaga para a direita e a que se propaga para a esquerda) mas, agora, sob uma perspectiva diferente. A nova perspectiva corresponde a fixar-nos num determinado ponto x x0 e observar o desenrolar do «filme» do que Propagação & Antenas Página 11

se passa à medida que o tempo evolui. Ou seja: vamos considerar, agora, ainda x t f x vt. 0 0 x t f x vt e 0 0 De forma a precisar a expressão analítica das várias ondas, vamos começar por escrever as fórmulas gerais das ondas consideradas. Tem-se f x vt 0, x vt L1 x vt L1, L1 x vt 0 L x vt, 0 x vt L 0, x vt L. Consequentemente, obtém-se t f x vt 1 0, t x0 L v 1 x 1 v t x0 L t x0 L v v v x0 v x L t, x L t v v v 1 0, t x0 L1 v 0, x 0 0 1 1 0 1 0 1. Analogamente, vem f x vt 0, x vt L1 x vt L1, L1 x vt 0 L x vt, 0 x vt L 0, x vt L. Logo, daqui infere-se que t f x vt 1 0, t x0 L1 v 1 x 1 v t x L t x L v v v x0 v L x t, L x t v v v 1 0, t L x0 v 0, 0 1 0 1 x 0 0 1 1 0 0. Propagação & Antenas Página 1

Mais concretamente, no ponto x0 0, o «filme» das duas ondas resulta das expressões seguintes. L L1 0, t 0, t v v L L L1 L1 v t, 0 t v t, 0 t v v v v x 00 t x00 t L1 L1 L L v t, t 0 v t, t 0 v v v v L1 L 0, t 0, t v v Nas duas figuras seguintes representam-se estas duas funções. Continua a considerar-se, como nos casos anteriores, v 1. Propagação & Antenas Página 13

Problema 6 Prove a lei de Snell usando o princípio de Fermat (trata-se, como é sabido, do que se passa na interface planar entre dois meios homogéneos cujos índices de refracção são n 1 e n ). Prove, também, a lei da reflexão em óptica geométrica: o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão (neste caso tudo se passa num mesmo meio homogéneo). Para a resolução deste problema vamos considerar primeiro a lei da reflexão. Neste caso todo o percurso se realiza no mesmo meio. Consequentemente, o princípio de Fermat reduz-se à minimização da trajectória total (raio incidente + raio reflectido). Por outras palavras: dados dois pontos A e B e um terceiro ponto P sobre um espelho, a verdadeira trajectória A P B é tal que o percurso total L AP PB é mínimo. Veja-se a figura anexa seguinte. Propagação & Antenas Página 14

Seja A a imagem especular de A em relação ao espelho. Consideremos um ponto hipotético Q para a reflexão: o raio incidente teria o comprimento AQ; o raio reflectido teria o comprimento QB. Note-se, porém, que AQ L AQ QB AQ QB. Atendendo ao triângulo AB AQ QB L. AQ. Conclui-se, então, que A BQ, infere-se que Mas então, de todas as trajectórias possíveis A Q B, a que corresponde ao valor mínimo de L é aquela para a qual Q P. Ou seja: a trajectória verdadeira corresponde a A P B. É finalmente claro que, para um ponto Q P o ângulo de incidência é diferente do ângulo de reflexão. Só quando se tem Q P é que o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão. Fica, deste modo, provada a lei da reflexão: o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão. Vai-se, agora, passar a analisar a lei da refracção na interface planar entre dois meios diferentes. Para o efeito considera-se que o meio 1, de índice de refracção n 1, preenche a região y 0. O meio, de índice de refracção n, preenche a região y 0. A interface planar coincide, portanto, com a recta y 0 (no plano 0 (i.e., com 1 0 z ). Sejam, então, dois pontos: um ponto x, y y ); um ponto x, y A localizado na região 1 Propagação & Antenas Página 15 1 1 B na região (i.e., com y 0 ). A questão que se coloca é,

então, a seguinte: qual é a exacta coordenada x de um ponto P x,0, localizado sobre a interface y 0, de tal forma que de acordo com o princípio de Fermat o tempo de percurso da trajectória total A P B tenha uma duração T mínima? A figura seguinte ilustra esta questão. De acordo com a figura, então, tem-se AP x x1 y1 D1, PB x x y D. Como a velocidade da luz no meio 1 é v1 c n1 e a velocidade da luz no meio é v c n, os respectivos tempos de percurso serão D n D D n D, T T. 1 1 1 1 v1 c v c Logo, o tempo total é Propagação & Antenas Página 16

1 n D n D c T T T. 1 1 1 O tempo total será mínimo quando se tiver T d d D1 d D 0 n1 n 0. d x d x d x Logo, atendendo a que se tem d D x x sin, d D x x sin d x 1 1 1 x x1 y d x 1 x x y infere-se, por fim, a lei de Snell segundo a qual n sin n sin. 1 1 Esta é uma lei fundamental em fotónica. Por exemplo, é ela que permite explicar a existência de modos superficiais para a propagação electromagnética guiada em fibras ópticas, através do mecanismo de reflexão interna total na interface núcleo bainha., Problema 7 Considere, no plano x, y, as seguintes três rectas paralelas e equidistantes: (i) y m x, recta e 1; (ii) y m x a, recta m ; (iii) y m x a, recta e. Considere, agora, uma quarta recta não paralela às outras três rectas. Sejam P, M e Q os pontos de intersecção das três primeiras rectas paralelas com a quarta, definidos da seguinte forma: P resulta da intersecção da primeira recta e 1 com ; Q resulta da intersecção da terceira recta e com ; M resulta da intersecção da segunda recta m com. Sendo d1 PM e d MQ, prove que d1 d. Nota A figura seguinte ilustra a resolução deste problema. Propagação & Antenas Página 17

Os dois triângulos assinalados na figura são rectângulos. Como a distância entre e 1 e m é dada por AM a e a distância entre m e e é dada por MB a, infere-se da figura que d PMasec d 1 MQ asec d d 1. Propagação & Antenas Página 18