UFC 2008 · 2ª Etapa — Questões de Física comentadas — Método TEF

Universidade Federal do Ceará

Vestibular 2008 · 2ª Etapa · Física (Q01-Q08)

Q01
Mecânica — Vetores — Equilíbrio de três forças

Considere duas forças, $\vec F_A$ e $\vec F_B$, cujos módulos são $3\text{ N}$. Se $\vec F_A$ e $\vec F_B$ fazem, respectivamente, ângulos de $60^\circ$ e $120^\circ$ com o eixo-$x$ (o ângulo é medido no sentido anti-horário em relação à orientação positiva do eixo-$x$), calcule o módulo de uma terceira força $\vec F_C$ e o ângulo que ela faz com o eixo-$x$ (também medido no sentido anti-horário em relação à orientação positiva do eixo-$x$), supondo que $\vec F_C$ equilibre as outras duas.

Resposta — UFC 2008 · 2ª Etapa

Módulo: $F_C=3\sqrt{3}\text{ N}$

Ângulo com o eixo-$x$: $270^\circ$

Resolução

Para que $\vec F_C$ equilibre as outras duas, a soma das três forças deve ser nula. Logo, $\vec F_C=-(\vec F_A+\vec F_B)$.

Componentes em $x$:

$$F_{A,x}+F_{B,x}=3\cos 60^\circ+3\cos 120^\circ=3\cdot\dfrac12-3\cdot\dfrac12=0.$$

Componentes em $y$:

$$F_{A,y}+F_{B,y}=3\sin 60^\circ+3\sin 120^\circ=3\cdot\dfrac{\sqrt3}{2}+3\cdot\dfrac{\sqrt3}{2}=3\sqrt3\text{ N}.$$

A resultante de $\vec F_A$ e $\vec F_B$ aponta no sentido $+y$, com módulo $3\sqrt3\text{ N}$. A força equilibrante tem o mesmo módulo e sentido oposto:

$$F_{C,x}=0,\qquad F_{C,y}=-3\sqrt3\text{ N}.$$

Portanto $F_C=3\sqrt3\text{ N}$, dirigida para $-y$, o que corresponde a $270^\circ$ no sentido anti-horário a partir do eixo-$x$.

Pontuação oficial: os cálculos corretos do módulo e do ângulo valem, respectivamente, cinco pontos.

Q02
Mecânica — Energia — Molas em série e energia elástica
Duas molas, k2 e k1, comprimidas por uma massa M; o comprimento total do conjunto é L

A figura abaixo descreve a situação inicial de um sistema onde duas molas estão comprimidas por uma massa $M$, com seus comprimentos somados resultando $L$. As molas têm constantes elásticas $k_1$ e $k_2$, sendo que $k_1=2k_2$, seus comprimentos sem deformação somados resultam $2L$, e as molas possuem massas desprezíveis. Posteriormente, o sistema é liberado, e a massa $M$ é lançada. Desconsidere atritos.

A) Calcule a energia armazenada no sistema na situação inicial.

B) Determine a velocidade da massa $M$ quando ela perde o contato com o sistema de molas, em termos das grandezas $L$, $M$ e $k_2$ (ou $k_1$).

Resposta — UFC 2008 · 2ª Etapa

A) $E=\dfrac13k_2L^2$ (ou $\dfrac16k_1L^2$)

B) $v_0=\sqrt{\dfrac{2k_2L^2}{3M}}$

Resolução

Duas molas em série equivalem a uma única mola de constante

$$k_{eq}=\dfrac{k_1k_2}{k_1+k_2}=\dfrac{2k_2\cdot k_2}{3k_2}=\dfrac23k_2.$$

Os comprimentos naturais somam $2L$ e, comprimidas, as molas ocupam $L$. A deformação total do conjunto é, portanto, $L$.

A) A energia armazenada é

$$E=\dfrac12k_{eq}L^2=\dfrac12\cdot\dfrac23k_2L^2=\dfrac13k_2L^2.$$

Em termos de $k_1$, como $k_2=k_1/2$, vale $E=\dfrac16k_1L^2$.

B) Sem atrito, toda a energia elástica vira energia cinética da massa quando ela se solta do conjunto:

$$\dfrac{Mv_0^2}{2}=\dfrac13k_2L^2\ \Rightarrow\ v_0=\sqrt{\dfrac{2k_2L^2}{3M}}.$$

Pontuação oficial: a questão vale dez pontos, cinco para cada item.

Q03
Mecânica — Hidrostática — Empuxo e aceleração em um fluido

Duas esferas, de mesmo volume ($V$) e com densidades diferentes $\rho_1$ e $\rho_2$, caem, sem atrito, através de um fluido com densidade $\rho$. Determine:

  1. as forças que atuam nas esferas.
  2. a razão entre as acelerações de cada uma das esferas.

Resposta — UFC 2008 · 2ª Etapa

A) Empuxo $E=\rho Vg$ (igual nas duas); pesos $P_1=\rho_1Vg$ e $P_2=\rho_2Vg$

B) $\dfrac{a_1}{a_2}=\dfrac{\rho_2(\rho_1-\rho)}{\rho_1(\rho_2-\rho)}$

Resolução
Esfera com peso P para baixo, empuxo E para cima e aceleração a para baixo

A) Sem atrito, cada esfera sofre apenas o peso e o empuxo. O empuxo depende do volume de fluido deslocado, que é o mesmo para as duas:

$$E=\rho Vg.$$

Os pesos diferem porque as densidades diferem:

$$P_1=\rho_1Vg,\qquad P_2=\rho_2Vg.$$

B) Para a esfera 1, a Segunda Lei de Newton (a esfera desce, então o peso vence o empuxo) dá

$$P_1-E=\rho_1Va_1\ \Rightarrow\ \rho_1Vg-\rho Vg=\rho_1Va_1\ \Rightarrow\ a_1=\left(1-\dfrac{\rho}{\rho_1}\right)g.$$

De modo idêntico, para a esfera 2:

$$a_2=\left(1-\dfrac{\rho}{\rho_2}\right)g.$$

Dividindo:

$$\dfrac{a_1}{a_2}=\dfrac{(\rho_1-\rho)/\rho_1}{(\rho_2-\rho)/\rho_2}=\dfrac{\rho_2(\rho_1-\rho)}{\rho_1(\rho_2-\rho)}.$$

Pontuação oficial: a questão vale dez pontos, cinco para cada item.

Q04
Termologia — Dilatação térmica — Dilatação linear por gráfico
Gráfico de L/L0 em função da temperatura T, de 0 a 100 °C: a barra A vai de 1,0000 a 1,0022 e a barra B vai de 1,0000 a 1,0011

Duas barras, A e B, construídas de materiais diferentes, são aquecidas de $0$ a $100\ ^\circ\text{C}$. Com base na figura abaixo, a qual fornece informações sobre as dilatações lineares sofridas pelas barras, determine:

  1. os coeficientes de dilatação linear das barras A e B.
  2. a razão entre os coeficientes de dilatação linear das barras A e B.

Resposta — UFC 2008 · 2ª Etapa

A) $\alpha_A=22\cdot10^{-6}\ ^\circ\text{C}^{-1}$ e $\alpha_B=11\cdot10^{-6}\ ^\circ\text{C}^{-1}$

B) $\alpha_A/\alpha_B=2$

Resolução

Na dilatação linear, $L=L_0(1+\alpha\,\Delta T)$, ou seja,

$$\dfrac{L}{L_0}-1=\alpha\,\Delta T.$$

O gráfico fornece $L/L_0$ final de cada barra, e $\Delta T=100\ ^\circ\text{C}$ para as duas.

A) Barra A: $\dfrac{L}{L_0}-1=1{,}0022-1{,}0000=0{,}0022$, logo

$$\alpha_A=\dfrac{0{,}0022}{100}=22\cdot10^{-6}\ ^\circ\text{C}^{-1}.$$

Barra B: $\dfrac{L}{L_0}-1=1{,}0011-1{,}0000=0{,}0011$, logo

$$\alpha_B=\dfrac{0{,}0011}{100}=11\cdot10^{-6}\ ^\circ\text{C}^{-1}.$$

B) A razão é

$$\dfrac{\alpha_A}{\alpha_B}=\dfrac{22\cdot10^{-6}}{11\cdot10^{-6}}=2.$$

Pontuação oficial: a questão vale dez pontos, cinco para cada item.

Q05
Óptica — Óptica geométrica — Reflexão total em prisma
Prisma de seção triangular equilátera ABC, com um raio incidindo perpendicularmente à face AB

Considere um raio de luz monocromático incidindo perpendicularmente em uma das faces (AB) de um prisma de seção reta triangular, cujos lados são do mesmo tamanho. Suponha que o prisma está mergulhado no ar e possui índice de refração absoluto $n$. Obtenha a condição sobre $n$ para que haja emergência do raio de luz apenas pela face AC. Considere que o índice de refração absoluto do ar é igual a $1$.

Resposta — UFC 2008 · 2ª Etapa

$n\ge\dfrac{2\sqrt{3}}{3}\ (\approx 1{,}15)$

Resolução

Os três ângulos internos do prisma valem $60^\circ$. O raio entra perpendicularmente em AB, sem desvio, e incide na face BC com ângulo de incidência de $60^\circ$.

Para que nada emerja por BC, esse ângulo deve ser igual ou maior que o ângulo limite $L$, definido por

$$\sin L=\dfrac{n_{ar}}{n}=\dfrac1n.$$

Assim, devemos ter $60^\circ\ge L$, isto é,

$$\sin 60^\circ\ge\dfrac1n\ \Rightarrow\ \dfrac{\sqrt3}{2}\ge\dfrac1n\ \Rightarrow\ n\ge\dfrac{2}{\sqrt3}=\dfrac{2\sqrt3}{3}.$$

Havendo reflexão total em BC, o raio refletido (também a $60^\circ$ da normal de BC) incide em AC perpendicularmente e emerge por essa face sem desvio, que é a condição pedida.

Pontuação oficial: a questão vale dez pontos.

Q06
Eletricidade — Eletrodinâmica — Leis de Kirchhoff
Circuito com três ramos entre os nós A e B: bateria de 6 V com resistor de 2 ohms (corrente I1 para cima), bateria de 6 V com resistor de 4 ohms (corrente I2 para cima) e bateria de 17 V com resistor de 6 ohms (corrente I3 para baixo)

Considere o circuito da figura abaixo.

  1. Utilize as leis de Kirchhoff para encontrar as correntes $I_1$, $I_2$ e $I_3$.
  2. Encontre a diferença de potencial $V_A-V_B$.

Resposta — UFC 2008 · 2ª Etapa

A) $I_1=1\text{ A}$, $I_2=0{,}5\text{ A}$ e $I_3=1{,}5\text{ A}$

B) $V_A-V_B=8\text{ V}$

Resolução

A) Lei dos nós em A, com $I_1$ e $I_2$ chegando e $I_3$ saindo:

$$I_1+I_2=I_3.$$

A lei das malhas equivale a exigir que $V_A-V_B$ seja o mesmo em todos os ramos. No ramo esquerdo, subindo de B até A, ganha-se $6\text{ V}$ na bateria e $2I_1$ no resistor (a corrente $I_1$ sobe); no central, $6+4I_2$; no da direita, $17-6I_3$ (a corrente $I_3$ desce).

Esquerdo = central:

$$6+2I_1=6+4I_2\ \Rightarrow\ I_1=2I_2.$$

Central = direito:

$$6+4I_2=17-6I_3\ \Rightarrow\ 4I_2+6I_3=11.$$

Substituindo $I_3=I_1+I_2=3I_2$:

$$4I_2+18I_2=11\ \Rightarrow\ I_2=0{,}5\text{ A},\qquad I_1=1\text{ A},\qquad I_3=1{,}5\text{ A}.$$

B) Percorrendo de B até A pelo ramo esquerdo, passa-se pela bateria de $6\text{ V}$ (sobe $6\text{ V}$) e pelo resistor de $2\ \Omega$ no sentido da corrente $I_1$ (sobe $2\cdot1=2\text{ V}$):

$$V_A-V_B=6+2\cdot1=8\text{ V}.$$

Pelo ramo central: $6+4\cdot0{,}5=8\text{ V}$. Pelo ramo da direita: $17-6\cdot1{,}5=8\text{ V}$. Os três caminhos concordam.

Pontuação oficial: a questão vale dez pontos, cinco para cada item.

Q07
Eletromagnetismo — Indução eletromagnética — Lei de Faraday e Lei de Lenz

O fluxo magnético que atravessa cada espira de uma bobina cilíndrica com $50$ espiras, em função do tempo, é dado pela expressão $\Phi=2t$, entre os tempos $t=1\text{ s}$ e $t=10\text{ s}$, em que o fluxo é dado em Wb. Para esse intervalo de tempo, determine:

  1. o módulo da força eletromotriz média induzida.
  2. o sentido da corrente induzida, considerando que o campo magnético está “entrando” no plano do papel, e o plano transversal da bobina é o próprio plano do papel.

Resposta — UFC 2008 · 2ª Etapa

A) $\varepsilon=100\text{ V}$

B) Sentido anti-horário

Resolução

A) Para cada espira, a variação do fluxo no intervalo é

$$\Delta\Phi=2\cdot10-2\cdot1=18\text{ Wb},\qquad \Delta t=10-1=9\text{ s}.$$

Pela Lei de Faraday-Neumann, a fem média por espira vale

$$\varepsilon_1=\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta t}=\dfrac{18}{9}=2\text{ V}.$$

Como as $50$ espiras estão em série, as fems se somam:

$$\varepsilon=50\cdot2=100\text{ V}.$$

B) O fluxo cresce com o tempo, ou seja, passam cada vez mais linhas de campo, entrando no papel, pelas espiras. Pela Lei de Lenz, a corrente induzida cria um campo que se opõe a esse aumento, isto é, um campo saindo do papel dentro da bobina. Pela regra da mão direita, isso exige uma corrente no sentido anti-horário, vista por quem olha o papel.

Pontuação oficial: o item A vale seis pontos e o item B vale quatro pontos.

Q08
Física moderna — Física quântica — Energia do fóton e potência de microondas

O girotron é um gerador de microondas de alta potência em altas freqüências. Um girotron, com freqüência de $32\text{ GHz}$, funciona a $225\text{ kW}$.

Considere que a constante de Planck $h=6{,}62\cdot10^{-34}\text{ J}\cdot\text{s}$.

  1. Qual o comprimento de onda da radiação e a energia do fóton emitida?
  2. Quantos fótons por segundo emite o gerador de microondas?

Resposta — UFC 2008 · 2ª Etapa

A) $\lambda\approx9{,}4\cdot10^{-3}\text{ m}$ e $E\approx2{,}1\cdot10^{-23}\text{ J}$

B) $N\approx1{,}06\cdot10^{28}\text{ fótons/s}$

Resolução

A) A microonda é uma onda eletromagnética e se propaga com a velocidade da luz, $c=3\cdot10^{8}\text{ m/s}$:

$$\lambda=\dfrac{c}{f}=\dfrac{3\cdot10^{8}}{32\cdot10^{9}}\approx9{,}4\cdot10^{-3}\text{ m}.$$

A energia de cada fóton é

$$E=hf=6{,}62\cdot10^{-34}\cdot32\cdot10^{9}\approx2{,}12\cdot10^{-23}\text{ J}.$$

(A solução oficial arredonda o comprimento de onda para $9{,}3\cdot10^{-3}\text{ m}$.)

B) A potência é a energia emitida por unidade de tempo. O número de fótons por segundo é a potência dividida pela energia de um fóton:

$$N=\dfrac{P}{E}=\dfrac{225\cdot10^{3}}{2{,}118\cdot10^{-23}}\approx1{,}06\cdot10^{28}\text{ fótons/s}.$$

Pontuação oficial: o item A vale seis pontos e o item B vale quatro pontos.

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