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EsPCEx · 2003

Escola Preparatória de Cadetes do Exército

Concurso de Admissão 2002 · ingresso 2003 · Modelo B · Física Q01–Q16 · resoluções comentadas pelo Método TEF.

Q01
Dinâmica — sistema de blocos e polia

Na figura abaixo, as massas $A$ e $B$ são iguais a $2\text{ kg}$, cada uma, e estão ligadas por um fio e uma roldana ideais. Sabendo que todos os atritos são desprezíveis e que a aceleração da gravidade é igual a $10\text{ m/s}^2$, podemos afirmar que a tração no fio ideal, em newtons, é de

Bloco A sobre mesa horizontal ligado por fio e polia ideal ao bloco B suspenso
A)$2\text{ N}$
B)$5\text{ N}$
C)$10\text{ N}$
D)$20\text{ N}$
E)$40\text{ N}$

Gabarito TEF — EsPCEx 2003 · Modelo B

C
Resolução

Como as massas são iguais, seja $a$ o módulo da aceleração do sistema e $T$ a tração.

Para o bloco $A$, na horizontal, $T=ma$.

Para o bloco $B$, tomando o sentido para baixo como positivo, $mg-T=ma$.

Somando as duas equações, $mg=2ma$, então $a=g/2=5\text{ m/s}^2$. Assim, $T=ma=2\cdot5=10\text{ N}$.

Alternativa correta: C

Q02
Vetores — composição e equilíbrio de forças

Três forças coplanares $\vec F_1$, $\vec F_2$ e $\vec F_3$, de módulos $F_1=5\text{ N}$, $F_2=2\sqrt3\text{ N}$ e $F_3=16\text{ N}$, passam a atuar sobre uma partícula $A$ que, inicialmente, encontrava-se em repouso, conforme a figura abaixo. Para que a partícula fique em equilíbrio, devemos aplicar sobre ela uma quarta força $\vec F_4$ cujo módulo, em newtons, vale

Dados: $\sin30^\circ=\cos60^\circ=0{,}5$ e $\sin60^\circ=\cos30^\circ=\dfrac{\sqrt3}{2}$.

Partícula A submetida às forças F1, F2 e F3, com F2 a 30 graus de F1 e F3 perpendicular a F2
A)$2\text{ N}$
B)$8\text{ N}$
C)$9\sqrt3\text{ N}$
D)$21\text{ N}$
E)$23\sqrt3\text{ N}$

Gabarito TEF — EsPCEx 2003 · Modelo B

C
Resolução

Adotando $x$ na direção de $\vec F_1$, temos $\vec F_1=(5,0)$.

Como $\vec F_2$ faz $30^\circ$ com $x$, suas componentes são $F_{2x}=2\sqrt3\cos30^\circ=3$ e $F_{2y}=2\sqrt3\sin30^\circ=\sqrt3$.

A força $\vec F_3$ é perpendicular a $\vec F_2$, portanto faz $120^\circ$ com $x$. Logo, $F_{3x}=16\cos120^\circ=-8$ e $F_{3y}=16\sin120^\circ=8\sqrt3$.

A resultante das três forças é $\vec R=(5+3-8,\sqrt3+8\sqrt3)=(0,9\sqrt3)$, de módulo $9\sqrt3\text{ N}$. Para o equilíbrio, $\vec F_4=-\vec R$, com o mesmo módulo.

Alternativa correta: C

Q03
Dinâmica — polia móvel e vínculo cinemático

No sistema apresentado na figura abaixo, o fio e as polias são ideais, todos os atritos são desprezíveis e o módulo da força $\vec F$ que atua sobre o bloco $A$ vale $550\text{ N}$. Considerando a aceleração da gravidade igual a $10\text{ m/s}^2$ e sabendo que as massas de $A$ e de $B$ valem $20\text{ kg}$ e $15\text{ kg}$, respectivamente, a aceleração do bloco $B$, em $\text{m/s}^2$, é igual a

Sistema com bloco A, duas polias fixas, uma polia móvel ligada ao bloco B e força horizontal F sobre A
A)$10\text{ m/s}^2$
B)$15\text{ m/s}^2$
C)$20\text{ m/s}^2$
D)$25\text{ m/s}^2$
E)$30\text{ m/s}^2$

Gabarito TEF — EsPCEx 2003 · Modelo B

A
Resolução

Se $a_B=a$, o vínculo imposto pelo fio determina que o bloco $A$ tenha aceleração de módulo $a_A=2a$.

Para $A$, tomando para a esquerda como positivo, $F-T=m_Aa_A$. Assim, $550-T=20(2a)$, ou $T=550-40a$.

O bloco $B$ é sustentado pela polia móvel e recebe duas trações para cima. Tomando para cima como positivo, $2T-m_Bg=m_Ba$.

Substituindo os dados, $2(550-40a)-150=15a$. Então $950=95a$ e $a=10\text{ m/s}^2$.

Alternativa correta: A

Q04
Potência mecânica — rendimento

Um motor elétrico consegue elevar, verticalmente, uma massa de $50\text{ kg}$ com velocidade constante de $1{,}4\text{ m/s}$. Desprezando a resistência do ar, considerando a aceleração da gravidade igual a $10\text{ m/s}^2$ e sabendo que o rendimento deste motor é de $70\%$, a sua potência total, nessa operação, vale

A)$1\text{ kW}$
B)$7\text{ kW}$
C)$700\text{ W}$
D)$490\text{ W}$
E)$300\text{ W}$

Gabarito TEF — EsPCEx 2003 · Modelo B

A
Resolução

Como a velocidade é constante, a força útil do motor equilibra o peso. A potência mecânica útil é $P_u=mgv=50\cdot10\cdot1{,}4=700\text{ W}$.

O rendimento é $\eta=P_u/P_t=0{,}70$. Logo, $P_t=700/0{,}70=1000\text{ W}=1\text{ kW}$.

Alternativa correta: A

Q05
Dinâmica e cinemática — força resultante constante

Um carro de uma tonelada, inicialmente em repouso, é submetido à ação de uma força resultante, horizontal e constante, de $2000\text{ N}$. A velocidade desse carro, dez segundos após o início da ação da força resultante, em $\text{km/h}$, vale

A)$20\text{ km/h}$
B)$25\text{ km/h}$
C)$72\text{ km/h}$
D)$108\text{ km/h}$
E)$118\text{ km/h}$

Gabarito TEF — EsPCEx 2003 · Modelo B

C
Resolução

A massa do carro é $m=1000\text{ kg}$. Pela segunda lei de Newton, $a=F/m=2000/1000=2\text{ m/s}^2$.

Partindo do repouso, após $10\text{ s}$, $v=at=2\cdot10=20\text{ m/s}$.

Convertendo para $\text{km/h}$, $v=20\cdot3{,}6=72\text{ km/h}$.

Alternativa correta: C

Q06
Estática — equilíbrio de corpo extenso

Em um local onde a aceleração da gravidade vale $g$, duas pequenas esferas homogêneas de mesmo diâmetro e de massas $m_1$ e $m_2$, sendo $m_2\mathrel{>}m_1$, são ligadas por uma haste rígida, retilínea e de massa desprezível. O conjunto repousa pelo centro $O$ da haste sobre um fulcro ligado ao prato de uma balança, graduada em newtons, conforme a figura abaixo. Para manter o sistema em equilíbrio, na posição horizontal, coloca-se uma barra de apoio debaixo da esfera cuja massa é $m_2$. O prolongamento da barra passa pelo centro de massa da esfera. Se a distância do centro de massa das esferas $m_1$ e $m_2$ ao ponto $O$ forem iguais, a indicação da balança nesta situação é de

Duas esferas m1 e m2 ligadas por haste horizontal, com fulcro central sobre balança e barra de apoio sob m2
A)$\dfrac{(m_1+m_2)g}{2}$
B)$\dfrac{m_2g}{2}$
C)$\dfrac{m_1g}{2}$
D)$2m_1g$
E)$\dfrac{(m_1-m_2)g}{2}$

Gabarito TEF — EsPCEx 2003 · Modelo B

D
Resolução

Seja $N$ a força vertical exercida pela barra de apoio sob a esfera $m_2$ e seja $R$ a força do fulcro sobre a haste, igual à indicação da balança.

Tomando momentos em torno de $O$, como os braços são iguais, $m_1g+N=m_2g$. Portanto, $N=(m_2-m_1)g$.

No equilíbrio vertical, $R+N=(m_1+m_2)g$. Substituindo $N$, obtém-se $R=(m_1+m_2)g-(m_2-m_1)g=2m_1g$.

Alternativa correta: D

Q07
Gravitação — terceira lei de Kepler

Dois satélites $A$ e $B$ giram ao redor da Terra com órbitas circulares de raios $R$ e $4R$, respectivamente. De acordo com a Terceira Lei de Kepler, o período de revolução do satélite $B$ em relação ao do satélite $A$ é

A)6 vezes menor.
B)8 vezes maior.
C)10 vezes menor.
D)3 vezes menor.
E)4 vezes maior.

Gabarito TEF — EsPCEx 2003 · Modelo B

B
Resolução

Pela Terceira Lei de Kepler, para satélites que orbitam o mesmo astro, $T^2\propto R^3$.

Assim, $\left(\dfrac{T_B}{T_A}\right)^2=\left(\dfrac{4R}{R}\right)^3=4^3=64$.

Logo, $T_B/T_A=8$: o período do satélite $B$ é oito vezes maior.

Alternativa correta: B

Q08
Trabalho e energia — força resultante

Uma partícula de massa $10\text{ mg}$ parte do repouso e, sob a ação exclusiva de duas forças constantes e perpendiculares entre si $\vec F_1$ e $\vec F_2$, de módulos respectivamente iguais a $12\text{ N}$ e $16\text{ N}$, sofre um deslocamento de $2\text{ m}$. Sabendo que todos os atritos são desprezíveis, o trabalho realizado pela força resultante na partícula, durante esse deslocamento, em joules, é de

A)$8\text{ J}$
B)$40\text{ J}$
C)$56\text{ J}$
D)$144\text{ J}$
E)$256\text{ J}$

Gabarito TEF — EsPCEx 2003 · Modelo B

B
Resolução

Como as duas forças são perpendiculares, a força resultante tem módulo $F_R=\sqrt{12^2+16^2}=20\text{ N}$.

A partícula parte do repouso e a resultante é constante; por isso, a aceleração e o deslocamento produzido têm a direção de $\vec F_R$.

O trabalho da resultante é $W_R=F_Rd=20\cdot2=40\text{ J}$.

Alternativa correta: B

Q09
Óptica geométrica — espelho convexo

Na porta de entrada de uma loja, encontramos um espelho convexo que está disposto estrategicamente para que os vendedores possam observar todo o interior do recinto. Com relação à imagem de um objeto real formada por esse espelho (considerando-o gaussiano), podemos afirmar que é

A)virtual e maior do que o objeto.
B)real e menor do que o objeto.
C)invertida e menor do que o objeto.
D)sempre direita e menor que o objeto.
E)sempre formada na frente do espelho.

Gabarito TEF — EsPCEx 2003 · Modelo B

D
Resolução

Para qualquer posição de um objeto real diante de um espelho esférico convexo, a imagem é formada atrás do espelho.

Ela é sempre virtual, direita e menor que o objeto. Entre as alternativas, a propriedade que identifica corretamente essa imagem é: sempre direita e menor que o objeto.

Alternativa correta: D

Q10
Movimento harmônico simples — energia

O gráfico abaixo representa a energia cinética $E_C$ de um oscilador massa-mola ideal que descreve um movimento harmônico simples em função de sua posição $x$. Podemos afirmar que na posição $x=-1\text{ m}$ a energia cinética, em joules, do oscilador vale

Gráfico da energia cinética do oscilador em função da posição, com zeros em menos 2 e 2 metros e máximo 60 joules em x igual a zero
A)$42\text{ J}$
B)$45\text{ J}$
C)$49\text{ J}$
D)$52\text{ J}$
E)$55\text{ J}$

Gabarito TEF — EsPCEx 2003 · Modelo B

B
Resolução

Nos extremos $x=\pm2\text{ m}$, a energia cinética é nula; portanto, a amplitude é $A=2\text{ m}$. Em $x=0$, toda a energia mecânica é cinética: $E=60\text{ J}$.

Para o sistema massa-mola, $E=\dfrac12kA^2$. Assim, $60=\dfrac12k(2)^2$, resultando $k=30\text{ N/m}$.

Em $x=-1\text{ m}$, $E_C=E-E_P=60-\dfrac12(30)(1)^2=45\text{ J}$.

Alternativa correta: B

Q11
Cinemática — velocidade constante

Um automóvel, desenvolvendo uma velocidade constante de $60\text{ km/h}$, faz, diariamente, uma viagem entre duas cidades vizinhas em um tempo habitual $T$. Se ele fizesse esta viagem com uma velocidade, também constante, de $90\text{ km/h}$, o tempo de duração, em relação ao habitual, seria $10$ minutos menor. Podemos dizer que o valor de $T$, em minutos, é

A)$60\text{ min}$
B)$50\text{ min}$
C)$40\text{ min}$
D)$30\text{ min}$
E)$20\text{ min}$

Gabarito TEF — EsPCEx 2003 · Modelo B

D
Resolução

Se $T$ é o tempo habitual em horas, a distância entre as cidades é $d=60T$.

Com velocidade de $90\text{ km/h}$, o tempo seria $T-10/60=T-1/6$. Como a distância é a mesma, $60T=90(T-1/6)$.

Assim, $60T=90T-15$, então $30T=15$ e $T=0{,}5\text{ h}=30\text{ min}$.

Alternativa correta: D

Q12
Cinemática — gráfico velocidade × tempo

O gráfico abaixo descreve a velocidade $V$, em função do tempo $t$, de um móvel que parte da posição inicial $10\text{ m}$ de sua trajetória. A função horária da sua posição, em que o tempo $t$ e a posição $S$ são dados, respectivamente, em segundos e em metros, é

Gráfico velocidade versus tempo, com velocidade 15 metros por segundo em t igual a zero e zero em t igual a 5 segundos
A)$S=10-15t+\dfrac{3t^2}{2}$
B)$S=15+10t-\dfrac{5t^2}{2}$
C)$S=10+15t-\dfrac{3t^2}{2}$
D)$S=15-10t+\dfrac{5t^2}{2}$
E)$S=10+15t-\dfrac{5t^2}{2}$

Gabarito TEF — EsPCEx 2003 · Modelo B

C
Resolução

Do gráfico, $v_0=15\text{ m/s}$. A aceleração é a inclinação da reta: $a=(0-15)/(5-0)=-3\text{ m/s}^2$.

Com $S_0=10\text{ m}$, a função horária do MUV é $S=S_0+v_0t+\dfrac{at^2}{2}$.

Logo, $S=10+15t-\dfrac{3t^2}{2}$.

Alternativa correta: C

Q13
Calorimetria — capacidade térmica e potência

Um corpo, dentro de um calorímetro de capacidade térmica desprezível, recebe calor exclusivamente de uma fonte cuja potência é $120\text{ W}$. Sua temperatura $\theta$ varia com o tempo $t$ de acordo com o gráfico abaixo. A capacidade térmica desse corpo, em $\text{J}/^\circ\text{C}$, é de

Gráfico da temperatura em função do tempo, crescendo linearmente de 30 graus Celsius em zero segundo até 90 graus Celsius em 80 segundos
A)$80\text{ J}/^\circ\text{C}$
B)$60\text{ J}/^\circ\text{C}$
C)$105\text{ J}/^\circ\text{C}$
D)$160\text{ J}/^\circ\text{C}$
E)$180\text{ J}/^\circ\text{C}$

Gabarito TEF — EsPCEx 2003 · Modelo B

D
Resolução

Em $80\text{ s}$, a fonte fornece $Q=P\Delta t=120\cdot80=9600\text{ J}$.

Pelo gráfico, nesse intervalo a temperatura varia de $30^\circ\text{C}$ para $90^\circ\text{C}$, de modo que $\Delta\theta=60^\circ\text{C}$.

Como $Q=C\Delta\theta$, $C=9600/60=160\text{ J}/^\circ\text{C}$.

Alternativa correta: D

Q14
Termometria — escalas termométricas

Comparando-se a escala $Z$ com a escala $C$ (Celsius) de dois termômetros, obteve-se o gráfico abaixo, que mostra a correspondência entre essas duas escalas. Quando o termômetro graduado em $^\circ\text{C}$ estiver registrando $90$, o termômetro graduado em $^\circ Z$ estará registrando

Gráfico linear de correspondência entre escalas Celsius e Z, passando pelos pontos zero Celsius e menos 10 Z, e 50 Celsius e 90 Z
A)$100^\circ Z$
B)$120^\circ Z$
C)$150^\circ Z$
D)$170^\circ Z$
E)$200^\circ Z$

Gabarito TEF — EsPCEx 2003 · Modelo B

D
Resolução

A relação entre as escalas é linear. Pelo gráfico, $0^\circ\text{C}$ corresponde a $-10^\circ Z$ e $50^\circ\text{C}$ corresponde a $90^\circ Z$.

O coeficiente angular é $a=(90-(-10))/(50-0)=2$. Assim, $Z=2C-10$.

Para $C=90$, $Z=2\cdot90-10=170$.

Alternativa correta: D

Q15
Estática — equilíbrio de nó

Um bloco em equilíbrio, de peso $\vec P$, é sustentado por fios ideais, como indica a figura. O módulo da força horizontal $\vec F$ vale

Bloco suspenso por fio vertical ligado a um nó, com um fio inclinado de ângulo theta em relação à vertical e uma força horizontal F
A)$P\sin\theta$
B)$P\tan\theta$
C)$P\sin\theta\cos\theta$
D)$P\cot\theta$
E)$P\cos\theta$

Gabarito TEF — EsPCEx 2003 · Modelo B

B
Resolução

No nó atuam três trações: uma horizontal de módulo $F$, uma vertical para baixo de módulo $P$ e uma tração $T$ no fio inclinado.

Como o fio inclinado forma ângulo $\theta$ com a vertical, o equilíbrio vertical fornece $T\cos\theta=P$ e o equilíbrio horizontal fornece $T\sin\theta=F$.

Dividindo as equações, $F/P=\tan\theta$. Logo, $F=P\tan\theta$.

Alternativa correta: B

Q16
Hidrostática — empuxo e fluido deslocado

Um recipiente cheio de água, em equilíbrio, encontra-se em uma região onde a aceleração da gravidade é de $10\text{ m/s}^2$. Colocando-se na água um corpo $M$, sólido e maciço, de massa $0{,}30\text{ kg}$, há um transbordamento de $0{,}20\text{ kg}$ de água devido ao volume de $M$. A intensidade do empuxo exercido pela água sobre $M$, em newtons, após esse transbordamento é

Despreze a tensão superficial da água.

A)$3\text{ N}$
B)$0{,}3\text{ N}$
C)$2\text{ N}$
D)$0{,}2\text{ N}$
E)$6\text{ N}$

Gabarito TEF — EsPCEx 2003 · Modelo B

C
Resolução

Pelo princípio de Arquimedes, o empuxo é igual ao peso do fluido deslocado.

Como o transbordamento corresponde a $0{,}20\text{ kg}$ de água deslocada, $E=m_{\text{água}}g=0{,}20\cdot10=2\text{ N}$.

Alternativa correta: C

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