Prova Bahiana Medicina 2015.2 Discursiva — Física com Gabarito e Resolução

Eletromagnetismo e Ondulatória — Ondas Eletromagnéticas — Características

Atualmente, seria difícil imaginar a sociedade sem as facilidades proporcionadas por dispositivos como a televisão, o telefone, os aparelhos de raios X, dentre outros. Todos esses equipamentos funcionam graças às ondas eletromagnéticas, cuja existência foi sugerida por James Clerk Maxwell, em 1864, com base nas equações propostas por Ampère, Faraday e Gauss, que descreviam fenômenos elétricos e magnéticos.

Com base nos conhecimentos de Física, escreva quatro características das ondas eletromagnéticas.

Quatro características (qualquer conjunto equivalente é válido): são transversais; propagam-se no vácuo com velocidade $c\approx3{,}0\cdot10^{8}\text{ m/s}$; são formadas por campos elétrico e magnético perpendiculares entre si e à direção de propagação; transportam energia sem transporte de matéria.

Resolução

Entre as características das ondas eletromagnéticas, destacam-se:

1. São ondas transversais: os campos oscilam perpendicularmente à direção de propagação.

2. São constituídas por um campo elétrico e um campo magnético variáveis, perpendiculares entre si, que se geram mutuamente (Maxwell).

3. Propagam-se no vácuo, sem necessidade de meio material, com velocidade $c\approx3{,}0\cdot10^{8}\text{ m/s}$; em meios materiais, a velocidade é menor.

4. Transportam energia (e quantidade de movimento) sem transportar matéria, e sofrem reflexão, refração, difração, interferência e polarização. Todas obedecem a $c=\lambda f$ no vácuo.

Q10

Mecânica — Oscilações — Período do Pêndulo Simples

Cientistas são herdeiros de antigos sacerdotes, curandeiros, magos e sábios da Pré-História e da Antiguidade, como o físico, matemático e astrônomo italiano Galileu Galilei (1564-1642), personagem importante na criação da ciência moderna, que em vez de apenas estudar os fenômenos oferecidos pela natureza, analisava-os em condições especiais. Conta-se que Galileu, ao observar a oscilação do candelabro da Catedral de Pisa, comparou o intervalo de tempo para a repetição do seu movimento com o tempo de sua própria pulsação, percebendo que o período das oscilações permanecia o mesmo, ainda que sua amplitude fosse diminuindo com o tempo. A partir dessa observação, Galileu construiu um pêndulo de comprimento padrão destinado a medir os batimentos dos pacientes em hospitais.

Disponível em: <http://efisica.if.usp.br/mecanica/curioso/tempo/relogios/>. Acesso em: 18 mai. 2015. Adaptado.

Considerando a frequência cardíaca de um adulto sedentário, medida com o pêndulo de Galileu, como sendo $80$ batimentos por minuto, em um local onde o módulo da aceleração da gravidade é de $10\text{ m/s}^2$, determine o comprimento desse pêndulo, admitindo $\pi^2$ igual a $10$.

$L\approx0{,}14\text{ m}$ ($\approx14\text{ cm}$).

Resolução

Para $80$ batimentos por minuto, o período é $T=\dfrac{60\text{ s}}{80}=0{,}75\text{ s}$.

No pêndulo simples, $T=2\pi\sqrt{\dfrac Lg}\Rightarrow L=\dfrac{g\,T^2}{4\pi^2}$.

$L=\dfrac{10\cdot(0{,}75)^2}{4\cdot10}=\dfrac{10\cdot0{,}5625}{40}\approx0{,}14\text{ m}$.

Q14

Termologia — Termodinâmica — Ciclo de Carnot

A Primeira Revolução Industrial ocorreu na Inglaterra, no final do século XVIII e início do século XIX, e outros países como França, Bélgica, Holanda, Rússia, Alemanha e Estados Unidos ingressaram nesse novo modelo de produção industrial.

A Revolução Industrial teve a introdução das máquinas no processo de manufatura de bens como uma de suas principais características. O processo de mecanizar a produção trouxe novos desafios práticos e teóricos para os engenheiros e cientistas, pois ajudou a criar condições para que fossem elaborados princípios teóricos acerca de calor e temperatura. Alguns desses princípios visavam tornar as máquinas industriais mais eficientes do ponto de vista energético e capazes de realizar o máximo de trabalho com o menor consumo possível de energia.

VALIO, Adriana Marques et al. Física: ensino médio, 2º ano. São Paulo: Edições SM, 2009. p. 139. Adaptado.

Gráfico pressão por volume do ciclo de Carnot ABCD entre as isotermas T2 (superior) e T1 (inferior)

A figura representa o gráfico da variação de pressão, $p$, em função do volume, $V$, de uma massa de certo gás ideal contido em um pistão com êmbolo de uma máquina térmica que opera com o ciclo de Carnot.

Desprezando a dilatação do pistão no intervalo térmico considerado e sabendo que $T_1$ é igual a $7{,}0\,^\circ\text{C}$, $T_2$ é igual a $127{,}0\,^\circ\text{C}$ e que a quantidade de calor fornecida pela fonte quente é igual a $800{,}0\text{ J}$, determine a quantidade de calor perdida pelo sistema ao descrever o ciclo de Carnot.

$Q_{perdido}=560\text{ J}$.

Resolução

Em kelvin: $T_1=7+273=280\text{ K}$ (fonte fria) e $T_2=127+273=400\text{ K}$ (fonte quente).

No ciclo de Carnot, $\dfrac{Q_{frio}}{Q_{quente}}=\dfrac{T_1}{T_2}$. Com $Q_{quente}=800\text{ J}$:

$Q_{frio}=800\cdot\dfrac{280}{400}=560\text{ J}$.

O calor perdido para a fonte fria é, portanto, $560\text{ J}$ (e o trabalho útil por ciclo vale $800-560=240\text{ J}$, rendimento de $30\%$).

Q15

Eletromagnetismo — Indução Eletromagnética — Lei de Faraday e Efeito Joule

A Segunda Revolução Industrial começou por volta de 1870. Foi um fenômeno muito mais dos Estados Unidos que dos países europeus. O período que mais marcou os avanços tecnológicos foi entre o final do século XIX até meados do século XX, quando o mundo vivenciou uma série de avanços na tecnologia e na medicina, entre outros. Os fatos de maior destaque que impulsionaram esse avanço tecnológico foi, sem dúvida, o petróleo, o motor a combustão, a utilização do aço e o uso da força das águas na geração de energia elétrica, com a criação das usinas hidrelétricas.

Disponível em: <http://www.coladaweb.com/geografia/as-tres-revolucoes-industriais>. Acesso em: 18 mai. 2015. Adaptado.

Ímã com polos S e N, em movimento com velocidade v, aproximando-se de uma espira circular condutora

A figura representa um ímã que se aproxima de uma espira circular condutora.

Sabendo que o raio da espira circular é igual a $2{,}0\text{ cm}$, que a resistência elétrica do fio é igual a $2{,}0\ \Omega$ e que, no instante inicial $t_0=0$, a intensidade do campo magnético no centro é igual a $0{,}5\text{ T}$ e, no instante $t=2{,}0\text{ s}$, o campo magnético no centro da espira tem módulo igual a $1{,}0\text{ T}$, com base na lei de Faraday, determine a potência dissipada na espira por efeito Joule.

$P\approx4{,}9\cdot10^{-8}\text{ W}$.

Resolução

Área da espira: $A=\pi r^2=\pi(2{,}0\cdot10^{-2})^2=4\pi\cdot10^{-4}\text{ m}^2$ (campo perpendicular ao plano da espira, tomado como uniforme).

Variação do fluxo: $\Delta\Phi=\Delta B\cdot A=(1{,}0-0{,}5)\cdot4\pi\cdot10^{-4}=2\pi\cdot10^{-4}\text{ Wb}$.

Pela lei de Faraday, $\varepsilon=\left|\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}\right|=\dfrac{2\pi\cdot10^{-4}}{2{,}0}=\pi\cdot10^{-4}\text{ V}\approx3{,}1\cdot10^{-4}\text{ V}$.

Corrente: $i=\dfrac{\varepsilon}{R}=\dfrac{\pi\cdot10^{-4}}{2{,}0}\approx1{,}6\cdot10^{-4}\text{ A}$.

Potência dissipada por efeito Joule: $P=\dfrac{\varepsilon^2}{R}=\dfrac{(\pi\cdot10^{-4})^2}{2{,}0}=\dfrac{\pi^2}{2}\cdot10^{-8}\approx4{,}9\cdot10^{-8}\text{ W}$.