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UECE 24.1 | 2ª Fase

Vestibular 2024.1 (18/12/2023) · Prova de Física (Q01–20) — resolução comentada Método TEF.

Q01
Eletrodinâmica — Associação de Resistores em Série e Paralelo

Considerando a associação de dois resistores ôhmicos R1 e R2 não nulos, atente para as seguintes afirmações:

I. É possível escolher os valores de R1 e R2 de forma que se possa obter a mesma resistência equivalente quando R1 e R2 são ligados em série ou em paralelo.
II. Caso se deseje aumentar a resistência equivalente, deve-se ligar os resistores R1 e R2 em série.
III. Fatores geométricos como comprimento e área da seção transversal de um resistor podem afetar o valor de sua resistência.

Está correto o que se afirma em

A)I e III apenas.
B)I e II apenas.
C)II e III apenas.
D)I, II e III.

Gabarito oficial CEV/UECE — UECE 24.1 — 2ª Fase

C
Resolução

I é falsa: $R_{série}=R_1+R_2$ e $R_{paralelo}=\dfrac{R_1R_2}{R_1+R_2}$. Igualando: $(R_1+R_2)^2=R_1R_2$. Mas, pela desigualdade das médias, $(R_1+R_2)^2\geq4R_1R_2$ sempre, logo $(R_1+R_2)^2=R_1R_2$ exigiria $R_1R_2\leq0$, impossível para resistores positivos e não nulos.

II é verdadeira: a associação em série sempre resulta em resistência equivalente maior que qualquer uma das resistências individuais.

III é verdadeira: pela relação $R=\rho L/A$, tanto o comprimento quanto a área da seção transversal alteram diretamente o valor da resistência.

Corretas: II e III apenas — alternativa C.

Q02
Cinemática — Conceitos de MRUV e Lançamento Oblíquo

Atente para o que se afirma a seguir sobre cinemática — ramo da Física que estuda os movimentos dos corpos sem se preocupar com a análise de suas causas:

I. Um móvel com aceleração negativa pode apresentar movimento retilíneo acelerado.
II. Considerando $V_0$ e $V$ as velocidades inicial e final de um móvel em movimento retilíneo uniformemente variado, a velocidade média deste móvel pode ser calculada por $(V_0+V)/2$.
III. No lançamento oblíquo de um projétil, no campo gravitacional da Terra, o módulo da velocidade atinge seu valor mínimo quando o corpo atinge a altura máxima.

É correto o que se afirma em

A)I, II e III.
B)I e II apenas.
C)I e III apenas.
D)II e III apenas.

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A
Resolução

I é verdadeira: movimento acelerado ocorre quando velocidade e aceleração têm o mesmo sinal. Se o móvel se desloca no sentido negativo (v<0) com aceleração também negativa (a<0), sua rapidez aumenta — é acelerado, mesmo com a<0.

II é verdadeira: em MRUV, a velocidade varia linearmente com o tempo, e a média temporal de uma função linear é a média aritmética dos extremos: $\bar v=(V_0+V)/2$.

III é verdadeira: a velocidade horizontal permanece constante durante todo o lançamento, enquanto a vertical varia e se anula exatamente na altura máxima. Como $v=\sqrt{v_x^2+v_y^2}$, o módulo de v é mínimo justamente quando $v_y=0$, ou seja, na altura máxima.

As três são verdadeiras — alternativa A.

Q03
Termologia — Isolamento Térmico e Trocas de Calor

O copo Stanley (copo térmico) consiste em um dispositivo muito comum que pode ilustrar princípios fundamentais da física relacionados à transferência de calor e isolamento térmico. Ele é famoso pelo fato de funcionar como um bom isolante térmico mantendo as bebidas quentes ou frias por longos períodos de tempo. Sobre as propriedades térmicas do copo Stanley são feitas as seguintes afirmações:

I. Suas paredes duplas separadas por vácuo ajudam a evitar trocas de calor entre o líquido contido no copo e o meio externo.
II. A corrente de convecção tende a se estabelecer mais facilmente quando o copo contém líquido gelado, sendo necessário o uso de tampa para evitá-la.
III. A superfície interna do copo Stanley é construída com um material que tende a evitar trocas de calor ou irradiação térmica.

É correto o que se afirma somente em

A)I e II.
B)I e III.
C)II.
D)III.

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B
Resolução

I é verdadeira: o vácuo entre as paredes duplas impede a condução e a convecção de calor (não há meio material para conduzir ou circular), reduzindo drasticamente as trocas térmicas.

II é falsa: a tampa é usada primariamente para reduzir a perda de calor de líquidos quentes por convecção/evaporação pela abertura superior; não é o líquido gelado que favorece o estabelecimento de correntes de convecção que exijam tampa.

III é verdadeira: a superfície interna costuma ter acabamento reflexivo (como um espelho), reduzindo a troca de calor por irradiação térmica, de forma análoga a uma garrafa térmica convencional.

Corretas somente I e III — alternativa B.

Q04
Eletromagnetismo — Força Magnética sobre Carga em Movimento

Considerando a força magnética exercida sobre uma partícula carregada com carga Q, dotada de velocidade $\vec V$, que passa por uma região em que há um campo de indução magnética uniforme $\vec B$, atente para o que se afirma a seguir e assinale com V o que for verdadeiro e com F o que for falso.

( ) Não depende da direção de $\vec V$.
( ) Está contida no plano formado por $\vec V$ e $\vec B$.
( ) É nula se $\vec V$ e $\vec B$ forem perpendiculares.
( ) Tem intensidade máxima se $\vec V$ e $\vec B$ forem perpendiculares.

Está correta, de cima para baixo, a sequência:

A)V, V, V, V.
B)V, V, F, F.
C)F, F, V, F.
D)F, F, F, V.

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D
Resolução

A força magnética é $\vec F=Q\vec V\times\vec B$, com módulo $F=|Q|VB\,\text{sen}\theta$, sempre perpendicular tanto a $\vec V$ quanto a $\vec B$.

(F) Depende sim da direção de V, pois $\vec F$ muda de direção e de módulo (via $sen\theta$) conforme a orientação de V em relação a B.

(F) Como $\vec F$ é perpendicular ao plano formado por V e B (produto vetorial), ela nunca está contida nesse plano.

(F) Se V e B são perpendiculares, $sen\theta=1$, a força é MÁXIMA, não nula.

(V) Como acabamos de ver, $sen90°=1$ é o valor máximo do seno, logo a força é de fato máxima quando V⊥B.

Sequência: F, F, F, V — alternativa D.

Q05
Cinemática — Movimento Relativo (Velocidade de Afastamento)

Dois móveis A e B de dimensões desprezíveis partem simultaneamente da origem dos espaços em sentidos opostos com movimento retilíneo uniforme e velocidades de módulos $V_a$ e $V_b$ respectivamente. Assim, é correto afirmar que a velocidade relativa de afastamento dos móveis A e B é

A)$V_a-V_b$.
B)$(V_a+V_b)/2$.
C)$V_a/V_b$.
D)$V_a+V_b$.

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D
Resolução

Adotando um referencial fixo, os móveis se afastam em sentidos opostos com velocidades $+V_a$ e $-V_b$. A velocidade relativa (de afastamento) é o módulo da diferença: $V_{rel}=|V_a-(-V_b)|=V_a+V_b$ — alternativa D.

Q06
Mecânica — Variação do Momento Linear (Impulso)

Um jogador de sinuca ao dar uma tacada, a bola passa a se mover na direção positiva do eixo X, passando pela origem do sistema cartesiano com momento linear de módulo P. Após algumas colisões parcialmente elásticas, a bola passa novamente pela origem do sistema cartesiano, em direção ao primeiro quadrante, formando um ângulo de 60 graus com a direção positiva do eixo X. No instante da segunda passagem pela origem, o módulo do momento linear da bola é P/2. Considerando que a bola de sinuca tenha dimensões desprezíveis, é correto afirmar que o módulo do vetor variação do momento linear da bola na origem após as duas passagens é igual a

A)$P\sqrt3/2$.
B)$P$.
C)$2P$.
D)$P/2$.

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A
Resolução

Momento inicial: $\vec p_i=(P,\,0)$.

Momento final, com módulo P/2 a 60° do eixo +X: $\vec p_f=\left(\dfrac P2\cos60°,\;\dfrac P2\,\text{sen}\,60°\right)=\left(\dfrac P4,\;\dfrac{P\sqrt3}{4}\right)$.

$\Delta\vec p=\vec p_f-\vec p_i=\left(\dfrac P4-P,\;\dfrac{P\sqrt3}{4}\right)=\left(-\dfrac{3P}{4},\;\dfrac{P\sqrt3}{4}\right)$.

$|\Delta\vec p|=\sqrt{\left(\dfrac{3P}{4}\right)^2+\left(\dfrac{P\sqrt3}{4}\right)^2}=\sqrt{\dfrac{9P^2}{16}+\dfrac{3P^2}{16}}=\sqrt{\dfrac{12P^2}{16}}=P\sqrt{\dfrac34}=\dfrac{P\sqrt3}{2}$ — alternativa A.

Q07
Cinemática — Lançamento Vertical e Oblíquo (Altura Máxima)

Em um laboratório, um estudante realizou um experimento que consistia em lançar, no vácuo, uma pequena esfera com dimensões desprezíveis. Inicialmente ele lançou a esfera na direção vertical com velocidade inicial de módulo $v_0$ obtendo do equipamento a leitura de uma altura máxima $H_1$. Em seguida, ele resolve realizar o experimento novamente mantendo o módulo da velocidade inicial da esfera igual a $v_0$, mudando apenas o ângulo de lançamento para $\theta$ graus com relação à horizontal, o que levou o equipamento a registrar uma altura máxima $H_2$. Sendo g o módulo da aceleração da gravidade, é correto afirmar que o módulo da diferença entre as alturas máximas $H_1$ e $H_2$ vale

A)$v_0^2\cos^2\theta/2g$.
B)$v_0^2\text{sen}^2\theta/2g$.
C)$v_0^2\cos^2\theta/g$.
D)$v_0^2\cos^2\theta$.

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A
Resolução

Lançamento vertical (equivale a $\theta=90°$ com a horizontal): $H_1=\dfrac{v_0^2}{2g}$.

Lançamento oblíquo com ângulo $\theta$: apenas a componente vertical $v_0\,\text{sen}\theta$ contribui para a altura máxima: $H_2=\dfrac{(v_0\,\text{sen}\theta)^2}{2g}=\dfrac{v_0^2\,\text{sen}^2\theta}{2g}$.

$|H_1-H_2|=\dfrac{v_0^2}{2g}-\dfrac{v_0^2\text{sen}^2\theta}{2g}=\dfrac{v_0^2(1-\text{sen}^2\theta)}{2g}=\dfrac{v_0^2\cos^2\theta}{2g}$ — alternativa A.

Q08
Eletrostática — Campo Elétrico Resultante Nulo

Um estudante de Física dispõe de um trilho circular de raio R, isolante, centrado na origem do sistema cartesiano. Em um dado instante, são colocadas duas cargas puntiformes positivas +Q nas posições (R, 0) e (0, R). O sistema assim formado produz um campo elétrico resultante E na origem. Assim, as coordenadas (x, y) e o módulo de uma terceira carga positiva que deve ser colocada sobre o trilho de forma a anular o campo elétrico E são, respectivamente,

A)$(R/2,\,R/2)$ e $Q$.
B)$(-R\sqrt2/2,\,-R\sqrt2/2)$ e $\sqrt2Q$.
C)$(R\sqrt2/2,\,R\sqrt2/2)$ e $\sqrt2Q$.
D)$(R/3,\,R/3)$ e $Q$.

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B
Resolução

Campo na origem devido à carga em (R,0): aponta na direção $(-1,0)$, módulo $kQ/R^2$. Campo devido à carga em (0,R): aponta na direção $(0,-1)$, mesmo módulo. Resultante: $\vec E=\dfrac{kQ}{R^2}(-1,-1)$, módulo $\dfrac{kQ\sqrt2}{R^2}$, apontando para o terceiro quadrante.

Para anular, a terceira carga (positiva) deve gerar campo na origem na direção oposta $(+1,+1)$, o que exige que ela esteja posicionada no terceiro quadrante do trilho, em $\left(-\dfrac{R\sqrt2}{2},-\dfrac{R\sqrt2}{2}\right)$ (pois o campo de uma carga positiva aponta para longe dela, logo para apontar em $(+1,+1)$ na origem, a carga deve estar na direção oposta a partir da origem).

Igualando módulos: $\dfrac{kq_3}{R^2}=\dfrac{kQ\sqrt2}{R^2}\Rightarrow q_3=\sqrt2\,Q$ — alternativa B.

Q09
Termologia — Dilatação Linear e Atrito Estático

Considere um experimento em que um bloco em equilíbrio sobre uma tábua de madeira, homogênea e de comprimento L, é suspensa pelas extremidades através de dois fios de mesmo comprimento $L_0$. Esses fios possuem coeficientes de dilatação linear $\alpha_1$ e $\alpha_2$, ligeiramente diferentes, com $\alpha_1>\alpha_2$. Elevando-se a temperatura do sistema lentamente, percebe-se que, após uma variação de temperatura $\Delta\theta$, o bloco entra na iminência de se movimentar, devido a uma pequena diferença de comprimento entre os fios. Sendo H a diferença entre os comprimentos dos fios após o aquecimento, é correto afirmar que o coeficiente de atrito estático entre a tábua e o bloco é, aproximadamente,

Para efeito de cálculo, considere sen β aproximadamente igual a tg β, onde β, oposto a H, é o ângulo formado pela direção horizontal e a tábua após o aquecimento.

A)$(\alpha_1-\alpha_2)/\Delta\theta L$.
B)$L_0\Delta\theta(\alpha_1-\alpha_2)/L$.
C)$\Delta\theta(\alpha_1-\alpha_2)/L$.
D)$L_0\Delta\theta/L$.

Gabarito oficial CEV/UECE — UECE 24.1 — 2ª Fase

B
Resolução

Cada fio se dilata segundo $\Delta L=L_0\alpha\Delta\theta$. A diferença entre as elongações dos dois fios é $H=L_0\Delta\theta(\alpha_1-\alpha_2)$.

Essa diferença de comprimento inclina a tábua (comprimento horizontal aproximadamente L) de um pequeno ângulo β, com $\text{sen}\beta\approx\text{tg}\beta=H/L$.

No limite de escorregamento, o coeficiente de atrito estático iguala a tangente do ângulo de inclinação: $\mu=\text{tg}\beta\approx\dfrac{H}{L}=\dfrac{L_0\Delta\theta(\alpha_1-\alpha_2)}{L}$ — alternativa B.

Q10
Eletrostática — Capacitores em Paralelo (Polaridades)

Um capacitor eletrolítico é um capacitor polarizado que, em geral, devido a sua grande capacitância, é utilizado em circuitos eletrônicos para ignorar sinais de baixa frequência e para armazenar grandes quantidades de energia. Um capacitor eletrolítico de capacitância C, inicialmente descarregado, é carregado através de uma fonte de bancada capaz de estabelecer uma diferença de potencial V entre seus terminais. Desconectado da fonte, o capacitor de capacitância C é conectado em paralelo a um segundo capacitor de capacitância C/2 inicialmente descarregado. Nessa situação, a conexão é realizada conectando-se os terminais de mesma polaridade dos capacitores, o que resulta, após o equilíbrio, numa diferença de potencial V' entre os terminais da associação. Se a conexão entre os capacitores, agora carregados, for desfeita e os capacitores em seguida forem reconectados em paralelo via terminais de polaridade contrárias, a nova diferença de potencial V'' entre os terminais da associação em termo de V é

A)$2V/3$.
B)$2V/9$.
C)$V/3$.
D)$V$.

Gabarito oficial CEV/UECE — UECE 24.1 — 2ª Fase

B
Resolução

Primeira conexão (mesma polaridade): a carga total $CV$ se redistribui sobre a capacitância total $C+C/2=1{,}5C$: $V'=\dfrac{CV}{1{,}5C}=\dfrac{2V}{3}$.

Cargas individuais após o equilíbrio: $Q_1'=CV'=\dfrac{2CV}{3}$ e $Q_2'=\dfrac C2V'=\dfrac{CV}{3}$.

Ao reconectar com polaridades invertidas, as cargas se subtraem: $Q_{total}=Q_1'-Q_2'=\dfrac{2CV}{3}-\dfrac{CV}{3}=\dfrac{CV}{3}$.

$V''=\dfrac{Q_{total}}{1{,}5C}=\dfrac{CV/3}{1{,}5C}=\dfrac{2V}{9}$ — alternativa B.

Q11
Ondulatória — Frequência Fundamental em Cordas Vibrantes

Em instrumentos musicais de corda, a altura e a frequência do som produzido variam de acordo com o comprimento e a espessura das cordas utilizadas. Feitas em aço ou nylon, por exemplo, as cordas são presas pelas extremidades e podem ser tensionadas por meio de cravelhas. Em um piano, as cordas são percutidas através de martelos. Nesse instrumento, duas das cordas feitas do mesmo material de densidade volumétrica $\rho$, mas de comprimentos L e 2L, apresentam raios 2R e R respectivamente. Além disso, as cordas percutidas vibram em modo fundamental e estão sujeitas à mesma tensão. Sabendo que a corda de comprimento L vibra com frequência f e que a corda de comprimento 2L vibra com frequência F, a razão f/F é

A)1.
B)8.
C)2.
D)4.

Gabarito oficial CEV/UECE — UECE 24.1 — 2ª Fase

A
Resolução

Frequência fundamental: $f_n=\dfrac{1}{2L_n}\sqrt{\dfrac{T}{\mu_n}}$, com densidade linear $\mu=\rho\pi r^2$ (mesmo T e mesma $\rho$ para ambas).

Corda 1 ($L_1=L$, $r_1=2R$): $\mu_1=4\rho\pi R^2$, $f=\dfrac{1}{2L}\sqrt{\dfrac{T}{4\rho\pi R^2}}$.

Corda 2 ($L_2=2L$, $r_2=R$): $\mu_2=\rho\pi R^2$, $F=\dfrac{1}{4L}\sqrt{\dfrac{T}{\rho\pi R^2}}$.

$\dfrac fF=\dfrac{\frac{1}{2L}\sqrt{\frac{T}{4\rho\pi R^2}}}{\frac{1}{4L}\sqrt{\frac{T}{\rho\pi R^2}}}=2\sqrt{\dfrac{1/4\rho\pi R^2}{1/\rho\pi R^2}}=2\sqrt{\dfrac14}=2\times\dfrac12=1$ — alternativa A.

Q12
Oscilações — Sistema Massa-Mola em Série

No laboratório de Física experimental da Universidade Estadual do Ceará, um estudante tem à sua disposição um bloco de massa M padrão e duas molas de constantes elásticas K e K' ideais. Quando o bloco é acoplado à mola de constante K e posto a oscilar, o estudante verifica que o período do sistema massa-mola ideal assim constituído é X. No entanto, quando o bloco é acoplado à mola de constante K', o sistema massa-mola, quando posto a oscilar nas mesmas condições iniciais, passa a ter período Y. Além disso, quando acoplado a uma mola, obtida pela associação, em série, das molas de constantes K e K' e sujeito às mesmas condições iniciais, o estudante constata que o período do sistema massa-mola é T. Após rápida manipulação matemática, o estudante foi capaz de obter uma expressão para o período T, em termos de X e Y, tal que o quadrado de T é expresso por

A)$X+Y$.
B)$XY/(X+Y)$.
C)$X^2+Y^2$.
D)$(X^2+Y^2)/(XY)^2$.

Gabarito oficial CEV/UECE — UECE 24.1 — 2ª Fase

C
Resolução

$T_{osc}=2\pi\sqrt{M/k}\Rightarrow k=\dfrac{4\pi^2M}{T_{osc}^2}$. Logo $K=\dfrac{4\pi^2M}{X^2}$ e $K'=\dfrac{4\pi^2M}{Y^2}$.

Associação em série: $\dfrac{1}{K_{eq}}=\dfrac1K+\dfrac1{K'}\Rightarrow K_{eq}=\dfrac{KK'}{K+K'}$.

$T^2=\dfrac{4\pi^2M}{K_{eq}}=4\pi^2M\cdot\dfrac{K+K'}{KK'}$.

Substituindo $K$ e $K'$: $K+K'=4\pi^2M\left(\dfrac{1}{X^2}+\dfrac1{Y^2}\right)=\dfrac{4\pi^2M(X^2+Y^2)}{X^2Y^2}$, e $KK'=\dfrac{16\pi^4M^2}{X^2Y^2}$.

$T^2=4\pi^2M\cdot\dfrac{4\pi^2M(X^2+Y^2)/(X^2Y^2)}{16\pi^4M^2/(X^2Y^2)}=4\pi^2M\cdot\dfrac{4\pi^2M(X^2+Y^2)}{16\pi^4M^2}=X^2+Y^2$ — alternativa C.

Q13
Óptica — Refração e Profundidade Aparente

Um estudante encontra-se de pé em um local, cujo índice de refração é unitário, na borda de uma piscina completamente cheia de água com índice de refração N. O estudante percebe que a diferença entre a profundidade real e a profundidade aparente da piscina é exatamente igual a L. Sendo L a altura do azulejo quadrado utilizado no revestimento da piscina, é correto afirmar que o valor da profundidade real da piscina é

A)$NL/(N-1)$.
B)$NL/(N+1)$.
C)$2NL$.
D)$2NL/(N+1)$.

Gabarito oficial CEV/UECE — UECE 24.1 — 2ª Fase

A
Resolução

Para observação próxima da vertical, a profundidade aparente relaciona-se à real por $p_{ap}=\dfrac{p_{real}}{N}$ (índice do meio de observação sobre índice do meio observado, com observador no ar, $n=1$).

A diferença dada é $p_{real}-p_{ap}=L$: $p_{real}-\dfrac{p_{real}}{N}=L \Rightarrow p_{real}\left(\dfrac{N-1}{N}\right)=L \Rightarrow p_{real}=\dfrac{NL}{N-1}$ — alternativa A.

Q14
Dinâmica — Pêndulo Não Conservativo e Conservação de Energia

Um pêndulo simples de massa m e comprimento L encontra-se em repouso, orientado na direção horizontal. O sistema não é conservativo, de forma que, após algumas oscilações, o pêndulo passa por um ponto P alinhado com a direção vertical, com metade da energia mecânica inicial. Sendo g o módulo da aceleração da gravidade no local, é correto afirmar que o quadrado do módulo da velocidade em P é

A)$gL$.
B)$2gL$.
C)$(gL)/2$.
D)$(gL)/3$.

Gabarito oficial CEV/UECE — UECE 24.1 — 2ª Fase

A
Resolução

Ao ser liberado da posição horizontal (a partir do repouso), o pêndulo está a uma altura L acima do ponto mais baixo P. Toda a energia mecânica inicial é potencial: $E_i=mgL$.

Ao passar por P, a energia mecânica caiu para a metade (dissipação por forças não conservativas): $E_P=\dfrac{E_i}{2}=\dfrac{mgL}{2}$. Em P, toda essa energia é cinética (altura de referência nula): $\dfrac12mv^2=\dfrac{mgL}{2} \Rightarrow v^2=gL$ — alternativa A.

Q15
Hidrostática — Empuxo e Leitura de Dinamômetro

Um recipiente vazio com 2,5 kg de massa e com capacidade máxima para 2000 cm³ encontra-se suspenso e fixado ao teto por meio de um dinamômetro. Despeja-se lentamente no interior do recipiente 1500 cm³ de água cuja densidade é de 1 g/cm³. Em seguida, um bloco cúbico de aço com 10 cm de aresta e de densidade 8 g/cm³ é introduzido lentamente no interior do recipiente. A leitura, em newtons, fornecida pelo dinamômetro após a completa introdução do bloco de metal, dado que a aceleração da gravidade local tem módulo 10 m/s², é de

A)40 N.
B)120 N.
C)45 N.
D)115 N.

Gabarito oficial CEV/UECE — UECE 24.1 — 2ª Fase

D
Resolução

Volume do bloco de aço: $10^3=1000\,cm^3$; massa do bloco: $1000\times8=8000\,g=8\,kg$.

Volume total se toda a água (1500cm³) e o bloco (1000cm³) coubessem seria 2500cm³, mas a capacidade do recipiente é de apenas 2000cm³. Ao introduzir o bloco lentamente, ele afunda (densidade 8g/cm³ >> água) e desloca um volume igual ao seu (1000cm³) para fora do recipiente, via transbordamento — restando apenas $2000-1000=1000\,cm^3$ de água no recipiente (500cm³ transbordam e não pesam mais no sistema).

Massa de água remanescente: $1000\,g=1\,kg$. Massa total suspensa pelo dinamômetro: recipiente + água remanescente + bloco (apoiado no fundo do recipiente, cujo peso é integralmente transmitido ao recipiente): $2{,}5+1+8=11{,}5\,kg$.

Leitura do dinamômetro: $P=11{,}5\times10=115\,N$ — alternativa D.

Q16
Gravitação — Sistema Estelar Binário

Sistemas estelares binários são comuns em nosso universo. O estudo deste tipo de sistema é de fundamental importância para a astrofísica, pois permite, de forma direta, determinar a massa, o raio e a densidade das estrelas. Um sistema binário formado por um par de estrelas A e B, de massas 2M e M respectivamente, orbita em torno de seu centro de massa comum. Sob a ação da interação gravitacional mútua, as duas estrelas orbitam seu centro de massa em órbitas circulares de mesmo período T. Sabendo que a distância entre o centro das estrelas A e B é d e que G é a constante gravitacional, a expressão que fornece o valor de $T^2/\pi^2$ é

A)$d^3/MG$.
B)$4d^3/3MG$.
C)$d^3/MG$.
D)$d^3/2MG$.

Gabarito oficial CEV/UECE — UECE 24.1 — 2ª Fase

B
Resolução

Pelo centro de massa: $2M\cdot r_{2M}=M\cdot r_M$, com $r_M+r_{2M}=d$. Logo $r_M=2r_{2M}$ e $r_{2M}=d/3$, $r_M=2d/3$.

A força gravitacional entre as estrelas fornece a resultante centrípeta para a estrela de massa M: $\dfrac{G(2M)(M)}{d^2}=M\omega^2r_M=M\omega^2\cdot\dfrac{2d}{3}$.

$\dfrac{2GM}{d^2}=\dfrac{2\omega^2d}{3}\Rightarrow\omega^2=\dfrac{3GM}{d^3}$.

Como $\omega=2\pi/T$: $\dfrac{4\pi^2}{T^2}=\dfrac{3GM}{d^3}\Rightarrow T^2=\dfrac{4\pi^2d^3}{3GM}\Rightarrow\dfrac{T^2}{\pi^2}=\dfrac{4d^3}{3GM}$ — alternativa B.

Q17
Óptica — Sistema de Dois Espelhos Côncavos

Duas superfícies refletoras S1 e S2 côncavas, com mesmo raio de curvatura R, são dispostas com suas partes refletoras frente a frente e com seus centros de curvaturas C1 e C2 coincidentes (C1≡C2≡C). O eixo principal do sistema composto pelas duas superfícies refletoras contém o centro de curvatura C comum e os vértices V1 e V2 das superfícies S1 e S2 respectivamente. Ao longo do eixo principal do sistema composto e a uma distância de R/2 do centro comum C, está localizado um pequeno objeto O. Uma imagem O' é conjugada pelo sistema de superfícies S1 e S2 a partir de O, após reflexão da luz na superfície refletora mais distante de O seguida de uma reflexão na superfície refletora mais próxima de O. Sendo assim, a localização da imagem O', em relação à superfície refletora mais próxima de O em função de R é

A)$R/2$.
B)$5R/6$.
C)$3R/2$.
D)$3R/4$.

Gabarito oficial CEV/UECE — UECE 24.1 — 2ª Fase

B
Resolução

Como $C_1\equiv C_2\equiv C$, os vértices $V_1$ e $V_2$ estão cada um a uma distância R de C, em lados opostos (separação total $V_1V_2=2R$), e cada espelho tem $f=R/2$.

Sendo O a R/2 de C, ele está a $3R/2$ do espelho mais distante (S1) e a $R/2$ do espelho mais próximo (S2).

1ª reflexão (em S1, $p_1=3R/2$): $\dfrac1{p_1}+\dfrac1{p_1'}=\dfrac2R\Rightarrow\dfrac{2}{3R}+\dfrac1{p_1'}=\dfrac2R\Rightarrow\dfrac1{p_1'}=\dfrac2R-\dfrac2{3R}=\dfrac4{3R}\Rightarrow p_1'=\dfrac{3R}4$.

Essa imagem $I_1$ forma-se a $3R/4$ de $V_1$, do lado de dentro do sistema, ou seja, a uma distância de $V_2$ igual a $2R-\dfrac{3R}4=\dfrac{5R}4$.

2ª reflexão (em S2, $p_2=5R/4$): $\dfrac1{p_2}+\dfrac1{p_2'}=\dfrac2R\Rightarrow\dfrac4{5R}+\dfrac1{p_2'}=\dfrac2R\Rightarrow\dfrac1{p_2'}=\dfrac2R-\dfrac4{5R}=\dfrac6{5R}\Rightarrow p_2'=\dfrac{5R}6$.

A imagem final O' forma-se a $5R/6$ do espelho mais próximo de O (S2) — alternativa B.

Q18
Dinâmica — Trabalho de Força Variável

Uma partícula de massa m, inicialmente em repouso na origem O do eixo das abcissas Ox, sofre ação exclusiva de uma força dependente da posição de magnitude $F(x)=A(1-x/L)$, sendo A uma constante dada em unidades do Sistema Internacional (SI). Submetida à ação da força $F(x)$ de magnitude variável, a partícula desloca-se de $x=0$ para $x=L$. Sabendo-se que, em $x=L$, a velocidade da partícula tem módulo V, a constante A é expressa em termos das variáveis pertinentes por

A)$mV/L$.
B)$V^2/2L$.
C)$mV^2/L$.
D)$mV^2/2$.

Gabarito oficial CEV/UECE — UECE 24.1 — 2ª Fase

C
Resolução

Trabalho realizado pela força variável: $W=\displaystyle\int_0^LF(x)\,dx=\int_0^LA\left(1-\dfrac xL\right)dx=A\left[x-\dfrac{x^2}{2L}\right]_0^L=A\left(L-\dfrac L2\right)=\dfrac{AL}2$.

Pelo teorema trabalho-energia cinética (parte do repouso): $W=\dfrac12mV^2\Rightarrow\dfrac{AL}2=\dfrac{mV^2}2\Rightarrow A=\dfrac{mV^2}{L}$ — alternativa C.

Q19
Termodinâmica — Calor em Processos Isotérmico e Isobárico

Um mol de um gás ideal monoatômico, inicialmente à temperatura $T_0$, pode ser levado de um estado inicial para um estado final através de dois processos distintos. No primeiro processo, a temperatura do gás é mantida constante. No segundo processo, a pressão do gás é mantida constante. Sabendo que no estado inicial o volume ocupado pelo gás é $V_0$ e no estado final o volume ocupado pelo gás é $4V_0$, a razão entre a quantidade de calor absorvido pelo gás ao longo do primeiro processo e a quantidade de calor absorvido pelo gás ao longo do segundo processo é

A)$(2\ln4)/15$.
B)1.
C)$(\ln4)/5$.
D)2.

Gabarito oficial CEV/UECE — UECE 24.1 — 2ª Fase

A
Resolução

Processo isotérmico ($T=T_0$): $\Delta U=0$, logo $Q_1=W=nRT_0\ln\left(\dfrac{V_f}{V_i}\right)=RT_0\ln4$ (com $n=1$).

Processo isobárico: como $PV=nRT$, a temperatura final é $T_f=4T_0$ (pois $V$ quadruplica a P constante). $Q_2=nC_p\Delta T=\dfrac52R(4T_0-T_0)=\dfrac{15}2RT_0$ (gás monoatômico, $C_p=\tfrac52R$).

$\dfrac{Q_1}{Q_2}=\dfrac{RT_0\ln4}{\frac{15}2RT_0}=\dfrac{2\ln4}{15}$ — alternativa A.

Q20
Dinâmica — Tensão em Fio no Movimento Circular Vertical

Uma partícula de massa m está presa à extremidade de um fio de comprimento L. Quando posta a girar, com velocidade angular constante $\omega$, a partícula descreve, num plano vertical, uma trajetória circular de raio L e centro em C. Além disso, o módulo da tensão no fio quando a partícula se encontra no ponto mais alto de sua trajetória A vale Y e no ponto mais baixo B de sua trajetória circular vale X. Desconsiderando quaisquer efeitos resistivos e adotando como g o módulo da aceleração da gravidade local, o módulo da tensão no fio em um ponto P da trajetória, ao longo de uma direção que passa por C e forma com a direção que passa por C e A um ângulo θ é

A)$(1+\cos\theta)X/2+(1-\cos\theta)Y/2$.
B)$(\cos\theta)X/2+(\text{sen}\,\theta)Y/2$.
C)$(1-\cos\theta)X/2+(1+\cos\theta)Y/2$.
D)$(\text{sen}\,\theta)X/2+(\cos\theta)Y/2$.

Gabarito oficial CEV/UECE — UECE 24.1 — 2ª Fase

C
Resolução

Em um ponto P a um ângulo θ do topo A (medido a partir do centro C), a componente da gravidade na direção radial (para dentro) é $mg\cos\theta$. A 2ª Lei de Newton na direção centrípeta dá: $T(\theta)+mg\cos\theta=\dfrac{mv^2}{L}\Rightarrow T(\theta)=\dfrac{mv^2}{L}-mg\cos\theta$.

No topo A ($\theta=0$): $Y=\dfrac{mv^2}{L}-mg$. Na base B ($\theta=180°$): $X=\dfrac{mv^2}{L}+mg$.

Somando e subtraindo: $\dfrac{mv^2}{L}=\dfrac{X+Y}2$ e $mg=\dfrac{X-Y}2$.

Substituindo: $T(\theta)=\dfrac{X+Y}2-\dfrac{X-Y}2\cos\theta=\dfrac{X(1-\cos\theta)}2+\dfrac{Y(1+\cos\theta)}2$ — alternativa C.

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